WO2011141511A2 - Elektrische maschine, insbesondere für eine windkraftanlage - Google Patents

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WO2011141511A2 PCT/EP2011/057613 EP2011057613W WO2011141511A2 WO 2011141511 A2 WO2011141511 A2 WO 2011141511A2 EP 2011057613 W EP2011057613 W EP 2011057613W WO 2011141511 A2 WO2011141511 A2 WO 2011141511A2
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Klaus Schürmann
Lothar Sebastian
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Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh & Co. Kg
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, in particular generator or motor, for.
  • Such a disc-shaped electric machine with a disc-shaped air gap is known, for example, from DE 10 2006 013 590 A1. It can be used as a generator for wind turbines. From DE 698 30 264 T2 also a wind turbine with a generator in disk construction of the type described above is also known. Such a machine is referred to there as a diskoidal machine.
  • the wind power rotor which usually consists of rotor blades and rotor hub, is connected via a shaft directly against rotation with the rotor disc of the generator, without a mechanical transmission gear is used.
  • the shaft is rotatably supported in the housing of the wind turbine or in the generator housing in a conventional manner.
  • EP 1 394 406 A2 discloses a wind power plant whose wind power rotor is directly connected to a rotor ring of a generator carrying magnets, wherein the rotor blades of the rotor are arranged on the rotor ring and / or an axial extension of the rotor ring.
  • the rotor ring may have a conical extension, are arranged on the tube projections for each receiving a rotatably mounted rotor blade.
  • the invention is based on the object, an electrical machine, for. B. to create a generator for a wind turbine or the like, which is characterized by highsettingsfäh ig speed and reliability in a simple and robust design.
  • the invention teaches in a generic electric machine, in particular in a generator or motor, for.
  • Example in a generator for a wind turbine, that the rotor disc is rotatably mounted on at least one outer peripheral rolling bearing assembly in the machine housing, wherein the outer peripheral rolling bearing assembly receives both radial forces and axial forces in both directions.
  • - Outer-circumference rolling bearing assembly means in the invention preferred that the rolling bearing assembly - based on the radius
  • the invention is based on the recognition that the structure and the operability of a disk-type electric machine can be significantly improved if the conventional inner bearing of the rotor shaft is replaced by an outer bearing or peripheral bearing in the outer peripheral region of the rotor or if a conventional shaft bearing or Internal storage is complemented at least by such external storage.
  • the outer bearing ensures that even at high forces or high torques, which are generated for example in a wind turbine via the wind power rotor and transmitted to the rotor shaft and thus the rotor disc, do not lead to significant changes in the air gap between primary parts and secondary parts.
  • the outdoor storage thus ensures that the air gap between primary parts and secondary parts is kept constant with high accuracy.
  • Such outer circumferential rolling bearing assembly for both radial forces and axial forces can basically consist of several bearings, z. B. a radial bearing and two thrust bearings, wherein preferably the radial bearing in the region of the end face of the rotor disc and the thrust bearings are arranged on the two side surfaces of the rotor disc.
  • the radial bearings which are arranged on the end face thus support the rotor disk on the outside circumference.
  • the outer peripheral rolling bearing assembly may be formed by a combined rolling bearing for both radial and axial forces.
  • Such torque-capable combined bearings and in particular large-diameter bearings are known in practice. You can z. B. be designed as angular contact bearings and particularly preferably as a four-point bearing. Such an angular contact bearing or four-point bearing is then preferably mounted in the region of the end face of the rotor disc.
  • the primary parts of the electrical machine are preferably designed as Spu sources in a conventional manner, while the Seku ndärmaschine the electric machine are preferably formed in a conventional manner as a permanent magnet.
  • a disk-type electric machine is based on the principle of operation of a linear machine, for. B. a linear motor. Functionally, the disk-type motor can be compared with a linear motor "wound up" into a circular ring. The same applies to a corresponding generator.
  • the arranged on a circular magnet and coils are preferably arranged on a relatively large radius, so that due to the favorable lifting conditions large torques are generated at the same time quite compact design. Thus, it may be possible within the scope of the invention, for example, to dispense with intermediate transmission.
  • the disk-type electric machine is preferably designed as a synchronous machine.
  • the invention initially comprises embodiments with only one rotor disk.
  • the invention also includes embodiments in which the machine is designed as a multi-disc machine and has at least two mutually parallel and working on a common rotor shaft rotor discs.
  • the invention also relates to a wind turbine with a wind power rotor and with a generator of the type described, wherein the wind power rotor then drives or operates in a conventional manner this generator according to the invention.
  • the wind power rotor usually has a plurality of rotor blades, which are fastened to a common rotor hub. It is within the scope of the invention that the wind power rotor is connected via a gear to the generator.
  • the rotor eg its rotor hub
  • the disk-type generator with outer bearing according to the invention makes it possible for the wind power rotor to be supported exclusively and waiving further bearings in the area of the rotor shaft or rotor shaft via the bearing arrangement of the rotor disk. Even the high tilting moments that are generated or transmitted by the rotor blades or by the entire wind power rotor can be absorbed by means of the large rolling bearings in the area of the rotor disk. The fact that the high tilting moments do not lead to any appreciable variation of the air gap in the region of the primary parts and secondary parts due to the inventive mounting is particularly advantageous.
  • Such a wind turbine can be a wind turbine with a capacity of more than 10 MW. Considering the high dead weight of the rotor and the additionally very high wind forces, it is possible to transmit torques of up to 300 to 400 t ⁇ m (tons x meters). Nevertheless, the gap width of the air gap can be maintained with high accuracy.
  • the air gap has a width of less than 5 mm, preferably less than 2 mm, z. B. 1 mm to 2 mm. Such an air gap should be maintained with a tolerance of ⁇ 0.1 mm.
  • a supply line may be provided in the lower region, a derivative, for. B. be provided in the form of Abiaufbohrept. Furthermore, it may be appropriate to provide the stand or its coils with a cooling.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the article according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows the article according to FIG. 2 in a modified embodiment
  • Fig. 4 shows a detail of the article of FIG. 1 in a modified embodiment.
  • FIG. 1 shows a detail of a wind turbine with a wind power rotor 1, which on the one hand has a plurality of rotor blades 2 and on the other hand a rotor hub 3, wherein the rotor blades 2 are fixed to the rotor hub 3. It is indicated in Fig. 1, that the rotor blades are adjustable (namely rotatable about the axis 21) attached to the rotor hub 3.
  • the entire nacelle 22 is rotatably mounted about the axis 23 on the mast 24.
  • the wind turbine in the nacelle 22 on an electric machine which is designed as a generator 4.
  • the rotor 1 operates. It is a generator 4 in disk construction with a Masch inengephaseuse 5 and a fixed to the machine housing stand 6, which is formed by a plurality of arranged on a circular ring primary parts 7.
  • the electric machine has a rotor disk 8 on which a plurality of arranged on a circular ring secondary parts 9 are arranged.
  • the primary parts 7 are formed as coils, while the secondary parts 9 are formed as permanent magnets. Details are not shown in the figures. In Fig.
  • the wind turbine or its generator 4 thus converts the kinetic energy generated by the wind power with the aid of the wind power rotor 1
  • the rotor 1 or its rotor hub 3 is rotatably connected directly and without the interposition of a transmission with the rotor shaft 1 0 and consequently with the rotor disc 8.
  • the rotatably connected to the rotor 8 rotor shaft 10 thus forms at the same time the rotor shaft, which is rotatably connected to the rotor hub 3.
  • the generator 4 according to the invention is now characterized according to FIG. 1 by an outer bearing and consequently a peripheral bearing.
  • the rotor disc 8 is rotatably mounted in the machine housing 5 via an outer circumferential rolling bearing arrangement 1 1.
  • the terms axial forces and radial forces here refer to the rotation axis 12 of the rotor disc 8, which is also indicated in FIG. 1, and which coincides in the exemplary embodiment with the axis of rotation of the wind power rotor.
  • the outer peripheral side bearing is realized in the embodiment such that the rolling bearing assembly 1 1 relative to the radius of the rotor disc 8 and consequently relative to the center of the rotor 8 outside the primary parts 7 and 9 secondary parts is arranged. Thus, it can be seen in FIG.
  • FIG. 1 shows otherwise in that it is possible to dispense with further bearings for the rotatably arranged rotor 1. All tilting forces, which are generated by the weight of the rotor 1 and by the wind forces, are therefore of the
  • air gap 13 between the primary parts 7 and secondary parts 9 can be kept constant by the bearing arrangement according to the invention within the predetermined tolerances.
  • the torque-capable bearing assembly 1 1 is formed by a combined stock camp, which is formed in the embodiment as a four-point bearing 14. It is a special design of a ball bearing and in particular a special design of an angular contact ball bearing, which can accommodate not only radial forces, but also axial forces in both directions. In axial section, the contour of the raceways of the inner ring and outer ring consists of arcs that form pointed arches. The inner ring of the four-point bearing can be formed divided, so that a large number of balls can be introduced. Alternatively, single row or double row angular contact ball bearings can be used.
  • the machine housing 5 in this area has a housing section which is U-shaped in cross-section and has on the one hand U-base 16 and on the other hand U-legs 17.
  • the four-point bearing 14 is thus arranged between the end face 15 of the rotor disk and the inside of the U-base 16.
  • the primary parts 7 are fastened on the inside to the U-legs 17, while the secondary parts 9 are mounted on the outside on the two side surfaces 18 of the rotor disc 8.
  • bearing assembly 1 1 is not formed by a single combined bearing, but in which the bearing assembly 1 1 on the one hand a radial bearing 1 9 and on the other hand two thrust bearing 20 has.
  • the Rad iallager 1 9 is the outer peripheral side in the region of the end face 15 of the rotor disc and consequently
  • a circular ring with secondary parts 9 can not only be arranged on each side of the rotor disk 8, but also that a plurality of concentric circular rings can be realized.
  • the bearing assemblies shown in the figures are designed as ball bearings. However, the invention basically also includes other types of rolling bearings, for. B. Roller bearings.
  • the generator according to the invention is used with particular preference in connection with a wind power plant, the invention also encompasses other purposes and consequently other types of power plant.
  • the invention includes not only electrical machines in the embodiment as a generator, but also electrical machines in the embodiment as a motor. Even with motors in disc design, the outer peripheral side bearing assembly according to the invention may be particularly advantageous, for. B. for driving a drive roller of a continuous press. Details are not shown in the figures.

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Abstract

Es handelt sich um eine elektrische Maschine, insbesondere Generator oder Motor, z. B. Generator für eine Windkraftanlage, in Scheibenbauweise, mit einem Maschinengehäuse und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer, welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen gebildet wird und mit einer Läuferscheibe, an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile angeordnet sind, wobei die Läuferscheibe unter Bildung eines Spaltes zwischen Primärteilen und Sekundärteilen innerhalb des Maschinengehäuses rotiert und wobei an die Läuferscheibe eine Läuferwelle drehfest angeschlossen oder anschließbar ist. Diese Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe über eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung in dem Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, wobei die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt.

Description

Elektrische Maschine, insbesondere für eine Windkraftanlage
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Generator oder Motor, z. B. Generator für eine Windkraftanlage, in Scheibenbauweise, mit einem Maschinengehäuse und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer, welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen gebildet wird und mit einer Läuferscheibe, an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile angeordnet sind, wobei die Läuferscheibe u nter Bildung eines Spaltes zwischen Primärteilen und Sekundärteilen innerhalb des Maschinengehäuses rotiert und wobei an die Läuferscheibe eine Läuferwelle drehfest angeschlossen oder anschließbar ist.
Eine solche scheibenförmige elektrische Maschine mit einem scheibenförmigen Luftspalt ist beispielsweise aus der DE 10 2006 013 590 A1 bekannt. Sie kann als Generator für Windkraftanlagen eingesetzt werden. Aus der DE 698 30 264 T2 ist ebenfalls eine Windkraftanlage m it einem Generator in Scheibenbauweise der eingangs beschriebenen Art bekannt. Eine solche Maschine wird dort auch als diskoidale Maschine bezeichnet. Der Windkraftrotor, der in der Regel aus Rotorblättern und Rotornabe besteht, ist über eine Welle unmittelbar drehfest mit der Läuferscheibe des Generators verbunden, ohne dass ein mechanisches Übersetzungsgetriebe eingesetzt wird. Die Welle ist in herkömmlicher Weise drehbar in dem Gehäuse der Windkraftanlage bzw. in dem Generatorgehäuse gelagert.
Problematisch bei elektrischen Maschinen und insbesondere Generatoren in Scheibenbauweise ist insbesondere bei großen Dimensionen die Tatsache, dass der Luftspalt zwischen Primärteilen und Sekundärteilen bei sehr geringen Ausmaßen möglichst konstant gehalten werden muss. Insbesondere bei den
hohen Kräften, die im Bereich von Windkraftanlagen entstehen, führt dieses in der Praxis zu Problemen. - Hier setzt die Erfindung ein.
Im Übrigen kennt man aus der EP 1 394 406 A2 eine Windkraftanlage, deren Windkraftrotor direkt mit einem Magnete tragenden Läuferring eines Generators verbunden ist, wobei die Rotorblätter des Rotors auf dem Läuferring und/oder einer axialen Verlängerung des Läuferrings angeordnet sind . So kann der Läuferring eine konische Verlängerung aufweisen, auf der Rohransätze zur jeweiligen Aufnahme eines drehbar gelagerten Rotorflügels angeordnet sind. Die Baueinheit aus Läuferring und Verlängerung ist über ein einziges, zur Abtragung von zur Rotorebene senkrechten Kippkräften geeignetes Momentenwälzlager auf einer rohrförmigen Tragstruktur gelagert, welche mit Ständerwicklungen versehen ist, die an der Innenseite des Läuferrings angebrachten Permanentmagneten gegenüberl iegen . Insofern handelt es sich um einen Generator in Spezialbauweise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, z. B. einen Generator für eine Windkraftanlage oder dergleichen zu schaffen, die sich bei einfachem und robusten Aufbau durch hohe Funktionsfäh ig keit und Betriebssicherheit auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Generator oder Motor, z. B. bei einem Generator für eine Windkraftanlage, dass die Läuferscheibe über zumindest eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung in dem Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, wobei die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt. - Außenumfangsseitige Wälzlageranordnung meint im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass die Wälzlageranordnung - bezogen auf den Radius
(bzw. den Mittelpunkt) der Läuferscheibe - außerhalb der Primärteile und Sekundärteile angeordnet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich der Aufbau und die Funktionsfähigkeit einer elektrischen Maschine in Scheibenbauweise deutlich verbessern lassen, wenn die herkömmliche Innenlagerung der Läuferwelle durch eine Außenlagerung bzw. periphere Lagerung im Außenumfangsbereich der Läuferscheibe ersetzt wird oder wenn eine herkömmliche Wellenlagerung bzw. Innenlagerung zumindest durch eine derartige Außenlagerung ergänzt wird . Die Außenlagerung gewährleistet, dass selbst bei hohen Kräften bzw. hohen Drehmomenten, die beispielsweise bei einer Windkraftanlage über den Windkraftrotor erzeugt und auf die Läuferwelle und damit auch die Läuferscheibe übertragen werden, nicht zu nennenswerten Änderungen des Luftspaltes zwischen Primärteilen und Sekundärteilen führen. Die Außenlagerung gewährleistet folglich, dass der Luftspalt zwischen Primärteilen und Sekundärteilen mit hoher Genauig keit konstant gehalten wird . Die in der Praxis beobachteten Probleme, die sich beispielsweise bei Windkraftanlagen durch Änderungen des Luftspaltes im Bereich des Generators ergeben, können damit vermieden werden. Es wird folglich eine momentenfähige Lageranordnung im Bereich des Außenumfangs der Läuferscheibe vorgesehen, so dass sowohl Radial kräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen zuverlässig aufgenommen werden können.
Eine solche außenumfangsseitige Wälzlageranordnung für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte kann sich grundsätzlich aus mehreren Lagern zusammensetzen, z. B. einem Radiallager und zwei Axiallagern, wobei vorzugsweise das Radiallager im Bereich der Stirnfläche der Läuferscheibe und die Axiallager an den beiden Seitenflächen der Läuferscheibe angeordnet sind. Die stirnflächig angeordneten Radiallager stützen die Läuferscheibe folglich außenumfangs-
seitig ab, während die beiden Axiallager die Läuferscheibe seitlich abstützen und damit die Axialkräfte (bezogen auf die Achse der Läuferscheibe) aufnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung jedoch von einem kombinierten Wälzlager für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte gebildet werden. Solche momentenfähigen kombinierten Lager und insbesondere auch Großwälzlager sind aus der Praxis bekannt. Sie können z. B. als Schräglager und besonders bevorzugt als Vierpunktlager ausgebildet sein. Ein solches Schräglager bzw. Vierpunktlager wird dann vorzugsweise im Bereich der Stirnfläche der Läuferscheibe montiert.
Die Primärteile der elektrischen Maschine sind in an sich bekannter Weise vorzugsweise als Spu len ausgebildet, während d ie Seku ndärteile der elektrischen Maschine vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Permanentmagneten ausgebildet sind. Eine solche elektrische Maschinen in Scheibenbauweise lehnt sich an das Funktionsprinzip einer Linearmaschine, z. B. eines Linearmotors an. Funktionell lässt sich der Motor in Scheibenbauweise mit einem zu einem Kreisring "aufgewickelten" Linearmotor vergleichen. Gleiches gilt für einen entsprechenden Generator. Die auf einem Kreisring angeordneten Magnete und Spulen sind vorzugsweise auf einem verhältnismäßig großen Radius angeordnet, so dass aufgrund der günstigen Hebeverhältnisse große Drehmomente bei gleichzeitig recht kompaktem Aufbau erzeugt werden. Damit kann es im Rahmen der Erfindung beispielsweise auch möglich werden, auf zwischengeschaltete Getriebe zu verzichten.
Die elektrische Maschine in Scheibenbauweise ist vorzugsweise als Synchronmaschine ausgebildet.
Grundsätzlich kann es ausreichen, lediglich auf einer Seitenfläche der Läuferscheibe Sekundärteile vorzusehen, so dass dann auch lediglich ein Kreisring mit Primärteilen erforderlich ist. Besonders bevorzugt weist die elektrische Masch ine in einer Doppel kammanordnung jedoch auf beiden Seiten der Läuferscheibe jeweils mehrere auf einem Kreisring angeordnete Permanentmagneten auf, wobei jedem der von den Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnetringe jeweils ein von den Spulen gebildeten Spulenring zugeordnet ist. Die Erfindung umfasst dabei zunächst einmal Ausführungsformen mit lediglich einer Läuferscheibe. Optional umfasst die Erfindung aber auch Ausführungsformen, bei welchen die Maschine als Mehrscheiben-Maschine ausgebildet ist und zumindest zwei parallel zueinander angeordnete und auf eine gemeinsame Läuferwelle arbeitende Läuferscheiben aufweist. Bei einer solchen Anordnung mit mehreren Läuferscheiben kann es ausreichen, lediglich im Bereich einer Läuferscheibe (oder bei lediglich einigen Läuferscheiben) eine geeignete außenumfangsseitige Lageranordnung für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte vorzusehen . Bevorzugt wird eine solche Lageranordnung jedoch bei beiden bzw. bei allen Läuferscheiben vorgesehen.
Die Erfindung betrifft auch eine Windkraftanlage mit einem Windkraftrotor und mit einem Generator der beschriebenen Art, wobei der Windkraftrotor dann in an sich bekannter Weise diesen erfindungsgemäßen Generator antreibt bzw. betreibt. Der Windkraftrotor weist üblicherweise mehrere Rotorblätter auf, welche an einer gemeinsamen Rotornabe befestigt sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Windkraftrotor über ein Getriebe mit dem Generator verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Rotor (z. B. dessen Rotornabe) jedoch drehfest und direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Läuferwelle des Generators verbunden.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass bei einer solchen Windkraftanlage der Rotor selbst nochmals in geeigneter Weise über Wälzlageranordnungen rotierend gelagert ist. Der erfindungsgemäße Generator in Scheibenbauweise mit Außenlagerung ermöglicht es in besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung jedoch, dass der Windkraftrotor ausschließlich und unter Verzicht auf weitere Lager im Bereich der Läuferwelle oder auch Rotorwelle über die Lageranordnung der Läuferscheibe abgestützt ist. Selbst die hohen Kippmomente, d ie von den Rotorblättern bzw. von dem gesamten Windkraftrotor erzeugt oder übertragen werden, lassen sich mit Hilfe der Großwälzlager im Bereich der Läuferscheibe aufnehmen. Besonders vorteilhaft ist dabei d ie Tatsache, dass die hohen Kippmomente aufgrund der erfindungsgemäßen Lagerung nicht zu einer nennenswerten Variation des Luftspaltes im Bereich der Primärteile und Sekundärteile führen.
Bei einer solchen Windkraftanlage kann es sich um eine Windkraftanlage mit einer Leistung von mehr als 10 MW handeln. Unter Berücksichtigung des hohen Eigengewichtes des Rotors und der zusätzlich sehr hohen Windkräfte kann es zu einer Übertragung von Drehmomenten von bis zu 300 bis 400 t■ m (Tonnen x Meter) kommen. Dennoch lässt sich die Spaltweite des Luftspaltes mit hoher Genauigkeit einhalten.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Luftspalt eine Breite von weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, z. B. 1 mm bis 2 mm aufweist. Ein solcher Luftspalt soll mit einer Toleranz von ± 0,1 mm eingehalten werden.
Es kann im Übrigen zweckmäßig sein, die Lageranordnung abzudichten und eine Schmierung, z. B. Ölschmierung vorzusehen. Eine solche Schmierung und insbesondere Ölschmierung der Lagerung kann außerdem für eine ausreichend g leich mä ßige Tem perierung des Rotors sorgen . Dad urch kön nen d ie gewünschten Spaltmaße und/oder die einwandfreie Funktion der Lagerung gewährleistet werden. Im oberen Bereich der Lageranordnung kann eine Zuleitung vorgesehen sein im unteren Bereich kann eine Ableitung, z. B. in Form von Abiaufbohrungen vorgesehen sein. Ferner kann es zweckmäßig sein, den Ständer bzw. dessen Spulen mit einer Kühlung zu versehen.
Optional besteht die Möglichkeit, die Lageranordnungen durch geeignete Kunststoffe oder Keramik elektrisch zu isolieren, so dass vermieden wird, dass Kriechströme die Lager beschädigen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ausschnittsweise und stark vereinfacht eine Windkraftanlage mit einem elektrischen Generator in Scheibenbauweise,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand nach Fig. 1 , Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 in einer abgewandelten Ausführungsform und
Fig. 4 ausschnittsweise den Gegenstand nach Fig. 1 in einer abgewandelten Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine soll am Beispiel eines Generators für eine Windkraftanlage erläutert werden. Fig. 1 zeigt dazu ausschnittsweise eine Windkraftanlage mit einem Windkraftrotor 1 , welcher einerseits mehrere Rotorblätter 2 und andererseits eine Rotornabe 3 aufweist, wobei die Rotorblätter 2 an der Rotornabe 3 befestigt sind. Dabei ist in Fig. 1 angedeutet, dass die Rotorblätter verstellbar (nämlich drehbar um die Achse 21 ) an der Rotornabe 3 befestigt sind. Die gesamte Gondel 22 ist drehbar um die Achse 23 auf dem Mast 24 befestigt.
Ferner weist die Windkraftanlage in der Gondel 22 eine elektrische Maschine auf, die als Generator 4 ausgebildet ist. Auf diesen Generator 4 arbeitet der Rotor 1 . Es handelt sich um einen Generator 4 in Scheibenbauweise mit einem Masch inengehäuse 5 und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer 6, welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen 7 gebildet wird. Ferner weist die elektrische Maschine eine Läuferscheibe 8 auf, an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile 9 angeordnet sind. Die Primärteile 7 sind als Spulen ausgebildet, während die Sekundärteile 9 als Permanentmagnete ausgebildet sind. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt. In Fig. 1 ist erkennbar, dass es sich um eine elektrische Maschine 4 in einer Doppelkammanordnung handelt, bei welcher auf beiden Seiten der Läuferscheibe 8 jeweils mehrere auf einem Kreisring angeordnete Permanentmagnete 9 vorgesehen sind, wobei jedem der von den Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnetringe jeweils ein von Spulen 7 gebildeter Spulenring zugeordnet ist.
Die Windkraftanlage bzw. deren Generator 4 wandelt folglich die kinetische Energie, die aufgrund der Windkraft mit Hilfe des Windkraftrotors 1 erzeugt
wird, in elektrische Energ ie um und speist sie in bekannter Weise in ein Stromnetz ein.
Dabei ist im Ausführungsbeispiel erkennbar, dass der Rotor 1 bzw. dessen Rotornabe 3 direkt und ohne Zwischenschaltung eines Getriebes drehfest mit der Läuferwelle 1 0 und folglich mit der Läuferscheibe 8 verbunden ist. Die drehfest mit der Läuferscheibe 8 verbundene Läuferwelle 10 bildet folglich zugleich die Rotorwelle, die drehfest mit der Rotornabe 3 verbunden ist. Der erfindungsgemäße Generator 4 zeichnet sich nun gemäß Fig. 1 durch eine Außenlagerung und folglich eine periphere Lagerung aus. So ist in Fig . 1 erkennbar, dass die Läuferscheibe 8 über eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung 1 1 in dem Maschinengehäuse 5 drehbar gelagert ist. Dabei handelt es sich um eine momentenfähige Lageranordnung 1 1 , welche sowohl die Radialkräfte als auch die Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt. Die Begriffe Axialkräfte und Radialkräfte beziehen sich hier auf die in Fig. 1 ebenfalls angedeutete Rotationsachse 12 der Läuferscheibe 8, die im Ausführungsbeispiel mit der Rotationsachse des Windkraftrotors zusammenfällt. Die außenumfangsseitige Lagerung ist im Ausführungsbeispiel derart realisiert, dass die Wälzlageranordnung 1 1 bezogen auf den Radius der Läuferscheibe 8 und folglich bezogen auf den Mittelpunkt der Läuferscheibe 8 außerhalb der Primärteile 7 und Sekundärteile 9 angeordnet ist. So ist in Fig. 1 erkennbar, dass der Abstand der Lageranordnung 1 1 von der Rotationsachse 1 2 und folglich vom Mittelpunkt der Läuferscheibe 8 größer ist als der Abstand der Primärteile 7 und der Sekundärteile 9 von der Rotationsachse 12. Fig. 1 zeigt im Übrigen, dass auf weitere Lager für den rotierend angeordneten Rotor 1 verzichtet werden kann. Sämtliche Kippkräfte, die durch das Eigengewicht des Rotors 1 und durch die Windkräfte erzeugt werden, werden folglich von der
momentenfähigen Lageranordnung 1 1 aufgenommen . Der in den Figuren lediglich angedeutete Luftspalt 13 zwischen Primärteilen 7 und Sekundärteilen 9 kann dabei durch die erfindungsgemäße Lageranordnung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen konstant gehalten werden.
Nach der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die momentenfähige Lageranordnung 1 1 von einem kombin ierten Lager gebildet, welches im Ausführungsbeispiel als Vierpunktlager 14 ausgebildet ist. Es handelt sich um eine Sonderbauform eines Kugellagers und insbesondere um eine Sonder- bauform eines Schrägkugellagers, welches nicht nur Radialkräfte, sondern auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen kann. Im Axialschnitt besteht die Kontur der Laufbahnen von Innenring und Außenring aus Kreisbögen, die Spitzbögen bilden. Der Innenring der Vierpunktlager kann geteilt ausgebildet sein, so dass eine große Anzahl von Kugeln eingebracht werden kann . Alternativ können auch einreihige oder zweireihige Schrägkugellager verwendet werden. Das in Fig. 2 dargestellte Vierpunktlager 14 ist außenumfangsseitig im Bereich der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe angeordnet. Dabei ist erkennbar, dass das Maschinengehäuse 5 in d iesem Bereich einen im Querschnitt U-förmigen Gehäuseabschnitt mit einerseits U-Basis 16 und andererseits U-Schenkeln 17 aufweist. Das Vierpunktlager 14 ist folglich zwischen der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe und der Innenseite der U-Basis 16 angeordnet. Die Primärteile 7 sind innenseitig an den U-Schenkeln 17 befestigt, während die Sekundärteile 9 außenseitig auf den beiden Seitenflächen 18 der Läuferscheibe 8 montiert sind. In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Lageranordnung 1 1 nicht von einem einzigen kombinierten Lager gebildet wird, sondern bei dem die Lageranordnung 1 1 einerseits ein Radiallager 1 9 und andererseits zwei Axiallager 20 aufweist. Das Rad iallager 1 9 ist außenumfangsseitig im Bereich der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe und folglich
zwischen Stirnfläche 15 und U-Basis 16 angeordnet, während die beiden Axiallager 20 beidseitig der Läuferscheibe auf den Seitenflächen 18 der Läuferscheibe angeordnet sind (vgl. Fig. 3). Im Übrigen ist in Fig. 4 angedeutet, dass in abgewandelter Ausführungsform nicht nur auf jeder Seite der Läuferscheibe 8 ein Kreisring mit Sekundärteilen 9 angeordnet sein kann, sondern dass auch mehrere konzentrische Kreisringe realisiert werden können. Die in den Figuren dargestellten Lageranordnungen sind als Kugellager ausgebildet. Die Erfindung umfasst jedoch grundsätzlich auch andere Wälzlagertypen, z. B. Rollenlager.
Auch wen n der erfind ungsgemäße Generator besonders bevorzugt im Zusammenhang mit einer Windkraftanlage eingesetzt wird, so umfasst die Erfindung doch auch andere Einsatzzwecke und folglich andere Kraftwerkstypen.
Im Übrigen umfasst die Erfindung nicht nur elektrische Masch inen in der Ausführungsform als Generator, sondern auch elektrische Maschinen in der Ausführungsform als Motor. Auch bei Motoren in Scheibenbauweise kann die erfindungsgemäße außenumfangsseitige Lageranordnung besonders vorteilhaft sein, z. B. für einen Antrieb einer Antriebswalze einer kontinuierlichen Presse. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt.

Claims

Patentansprüche:
1 . Elektrische Masch ine, insbesondere Generator (4) oder Motor, z. B. Generator (4) für eine Windkraftanlage, in Scheibenbauweise, mit einem Maschinengehäuse (5) und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer (6), welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen (7) gebildet wird und mit einer Läuferscheibe (8), an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile (9) angeordnet sind, wobei die Läuferscheibe (8) unter Bildung eines Spaltes (13) zwischen Primärteilen (7) und Sekundärteilen (9) innerhalb des Maschinengehäuses (4) rotiert und wobei an die Läuferscheibe (8) eine Läuferwelle (10) drehfest angeschlossen oder anschließbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Läuferscheibe (8) über eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung (1 1 ) in dem Maschinengehäuse (5) drehbar gelagert ist, wobei die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung (1 1 ) sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordn ung (1 1 ) bezogen auf den Rad ius der Läuferscheibe außerhalb der Primärteile (7) und Sekundärteile (9) angeordnet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (1 1 ) sich aus einerseits zumindest einem
Radiallager (19) und andererseits zumindest zwei Axiallagern (20) zusammensetzt, wobei vorzugsweise das Radiallager (19) im Bereich der Stirnfläche (15) der Läuferscheibe und die Axiallager (20) im Bereich der beiden Seitenflächen (18) der Läuferscheibe angeordnet sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (1 1 ) von einem kombinierten Wälzlager (14) für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte gebildet wird, welches vorzugsweise im Bereich der Stirnfläche (15) der Läuferscheibe (8) angeordnet ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Wälzlager (14) als Schrägkugellager, vorzugsweise als Vierpunktlager ausgebildet ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärteile (7) als Spulen und die Sekundärteile (9) als Permanentmagnete ausgebildet sind.
7. Elektrische Masch ine nach e i nem d er An sprü che 1 b is 6 , d ad u rch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Synchronmaschine, z. B.
Synchrongenerator oder Synchronmotor, ausgebildet ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) in einer Doppelkammanordnung auf beiden Seiten der Läuferscheibe (8) mehrere auf einem Kreisring angeordnete Permanentmagnete aufweist, wobei jedem der von den Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnet-Ringe jeweils ein von Spulen gebildeter Spulen- Ring zugeordnet ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) als Mehrscheiben-Maschine mit zumindest zwei parallel zueinander angeordneten und auf einer gemeinsamen Läuferwelle (10) arbeitenden Läuferscheiben (8) ausgebildet ist.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Läuferscheibe (8) der Mehrscheiben-Maschine jeweils eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung (11 ) zugeordnet ist.
11. Windkraftanlage mit einem Windkraftrotor (1 ) und mit einer als Generator (4) ausgebildeten elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Wind kraftrotor (1) den Generator (4) betreibt.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) drehfest und direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der
Läuferwelle (10) des Generators (4) verbunden ist.
13. Windkraftanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) ausschließlich und unter Verzicht auf weitere Lager im Bereich der Läuferwelle bzw. Rotorwelle über die Lageranordnung (11 ) der Läuferscheibe (8) abgestützt ist.
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