WO2012007194A2 - Blattwinkelverstellantrieb für eine windkraftanlage - Google Patents

Blattwinkelverstellantrieb für eine windkraftanlage Download PDF

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WO2012007194A2
WO2012007194A2 PCT/EP2011/056198 EP2011056198W WO2012007194A2 WO 2012007194 A2 WO2012007194 A2 WO 2012007194A2 EP 2011056198 W EP2011056198 W EP 2011056198W WO 2012007194 A2 WO2012007194 A2 WO 2012007194A2
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electric motor
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Norbert Wibben
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Ssb Wind Systems Gmbh & Co. Kg
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/80—Arrangement of components within nacelles or towers
    • F03D80/88—Arrangement of components within nacelles or towers of mechanical components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K9/14—Arrangements for cooling or ventilating wherein gaseous cooling medium circulates between the machine casing and a surrounding mantle
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2260/60—Fluid transfer
    • F05B2260/64—Aeration, ventilation, dehumidification or moisture removal of closed spaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/79—Bearing, support or actuation arrangements therefor
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a Blattwinkelverstellantrieb for a wind turbine, with at least one motor housing having an electric motor which is electrically coupled to a converter and mechanically with a rotor blade which is rotatable about a blade axis by means of the electric motor, wherein the electric motor is controlled or regulated by means of the inverter ,
  • Such a drive is known for example from DE 103 38 127 B4.
  • a DC-powered blade pitch actuator comprises a DC-DC converter and a DC motor, e.g. in the form of a series machine, a shunt machine or a double-lock machine.
  • An AC-based blade pitch actuator includes, in particular, a frequency converter with or without
  • the inverters used are installed in axle cabinets in which other components of the pitch control system are housed.
  • the connection of an inverter with the assigned motor is made via a wiring within the axle box as well as by plugs and lines outside of the axle box.
  • the respective actual values are supplied by components mounted on the motor, for example an absolute angle encoder (eg SSI encoder), a sine cosine Encoder, a tachogenerator, a temperature sensor and / or other assemblies include.
  • the components are connected to the axis cabinet via wiring and via plugs and through cabling inside the axis cabinet
  • the inverters generate additional power loss in the
  • Axis cabinet which must be removed.
  • the power dissipation of the other components in the axis cabinet causes the ambient temperature of the electronics to be very high in unfavorable cases (e.g., up to 80 ° C).
  • the invention has the object, for a Blattwinkelverstellantrieb of the type mentioned in the space required for the axle cabinets and the
  • the interference of signal lines to be attached to the electric motor components can be reduced.
  • the Blattwinkelverstellantrieb invention for a wind turbine comprises at least one motor housing having an electric motor which is electrically coupled to a converter and mechanically with a rotor blade which is rotatable or rotated about a blade axis by means of the electric motor, wherein the electric motor controlled by means of the inverter and / or is regulated, and wherein the electric motor and the inverter are combined to form a structural unit.
  • structural unit preferably a compact structural
  • the axle cabinets can be made smaller or even eliminated, so less installation space in the rotor hub is required. Because several electrical lines, which are traditionally between the axis cabinet and the
  • Electric motor extend can now be laid inside or on the structural unit, the effort for
  • Lightning protection measures and cable shielding can be reduced. Furthermore, the wiring between the electric motor and the inverter can be kept relatively short.
  • Inverter disposed in the motor housing and in particular fixed in this. The one required for the inverter
  • Installation space can be created, for example, by increasing the engine volume and / or lengthening the engine in the axial direction.
  • the motor housing is increased in terms of its volume and / or extended in the axial direction.
  • the inverter can be located inside the motor housing in a converter housing or without additional housing
  • the converter is arranged in a converter housing attached to the motor housing and in particular secured therein.
  • the converter housing preferably forms part of the structural unit.
  • the inverter housing with the motor housing directly or with the interposition of a permanently connected to this
  • connection of the converter housing with the motor housing takes place without the interposition of a passive heat sink. But it is also possible that the connection of the inverter housing with the motor housing under
  • the converter housing may be placed on the motor housing and extend in particular in the direction of a longitudinal axis of the motor housing. For example, that is
  • Inverter housing mounted on the outer surface of the motor housing.
  • the converter housing can be arranged transversely to the longitudinal axis of the motor housing or to the motor axis and in particular transversely to the longitudinal axis of the
  • Motor housing extend. For example, that is
  • Inverter housing arranged on or in the region of a front side of the motor housing and sits, for example. on or in the region of one of the end walls of the motor housing.
  • the electric motor preferably comprises a motor shaft rotatably mounted on the motor housing about a motor shaft, the
  • the motor shaft is in particular mechanically coupled to the rotor blade, preferably with the interposition of a transmission.
  • the motor shaft is preferably rotatable about the motor axis by means of the electric motor.
  • the motor shaft extends in an axial direction, wherein a transverse or perpendicular to the axial direction extending direction is referred to in particular as a radial direction.
  • the longitudinal axis of the motor housing extends in the axial direction.
  • the longitudinal axis of the motor housing coincides with the motor axis.
  • the motor housing is preferably closed in the axial direction on both sides with end walls, wherein the end walls are preferably formed by end shields.
  • the motor shaft is especially at the two
  • End walls of the motor housing rotatably mounted about the motor axis and preferably penetrates both or one of the end walls.
  • the electric motor can be used as a DC machine or as
  • the DC machine forms a DC motor, e.g. is operated as a series machine, as a shunt machine or as a double-ended machine.
  • the three-phase machine is preferred as an asynchronous machine, as a synchronous machine or as an electrically commutated DC machine
  • Electric motor and the inverter cooling cooling device provided which forms in particular a part of the structural unit and is provided for example on or in this.
  • Electric motor and the inverter cooling cooling device provided which forms in particular a part of the structural unit and is provided for example on or in this.
  • the cooling device is preferably an active cooling device.
  • the cooling device comprises at least one fan, one the electric motor and the inverter
  • cooling cooling air flow generated Preferably, the fan is driven in such a way that the cooling air flow first cools the converter and then the electric motor. This makes it possible to take into account that semiconductor components provided in the converter are generally more temperature-sensitive than the electric motor. But it is also possible that the cooling air flow first the electric motor and then the
  • Inverter cools or that the cooling air flow cools the inverter and the electric motor at the same time.
  • the cooling device comprises or
  • Fan housing in which the fan is arranged.
  • Fan housing preferably forms part of the structural unit.
  • the fan on a fan, which preferably carries fan blades.
  • the fan is rotatable about a fan axis in or on the motor housing, stored in or on the fan housing or in or on the inverter housing.
  • the fan may be arranged in an axial extension of the motor axis.
  • the fan is arranged on or in the region of an end face of the electric motor, in particular on or in the region of one of the end walls of the motor housing.
  • the fan is between the
  • the fan may be arranged transversely to the motor axis and / or to the motor housing.
  • the generated cooling air flow can preferably cool both the electric motor and the converter and / or the converter housing via one or more deflection elements.
  • the fan is at a radial distance from
  • the fan axis runs parallel to the motor axis or coincides with this.
  • the fan axis extends transversely or obliquely to the motor axis.
  • the fan housing may be arranged in an axial extension of the motor axis. For example, that is
  • Electric motor in particular arranged on or in the region of one of the end walls of the motor housing.
  • the fan housing between the motor housing and the
  • Inverter housing arranged. Furthermore, the fan housing wholly or partially transverse to the motor axis and / or to
  • Motor housing be arranged.
  • the fan housing or part of the fan housing extends in
  • the motor housing is arranged wholly or partially in the fan housing.
  • the fan housing forms or comprises a tube extending in the axial direction, in which the
  • Motor housing is arranged.
  • the motor housing extends out of the tube in the axial direction. Consequently the cooling air flow can be guided along the motor housing in the axial direction.
  • Invention includes the fan housing into the pipe
  • the electric motor comprises at least one of
  • the heat sink in particular has cooling ribs which are cooled by the cooling air flow.
  • the cooling air flow can flow through or over the cooling fins.
  • the cooling air flow flows along the cooling ribs, preferably in the axial direction.
  • the cooling fins are preferably provided on the motor housing, preferably on its outer circumference.
  • the converter preferably comprises at least one heat sink exposed to the cooling air flow.
  • This heat sink preferably has cooling fins, which are cooled by the cooling air flow.
  • the cooling air flow flows through or over the cooling fins of the converter.
  • the cooling air flow flows along the cooling fins of the converter, preferably in the axial or radial direction.
  • the cooling fins of the inverter are
  • Fan housing and / or provided on or in the motor housing are provided.
  • one or more deflection elements are provided, by means of which the cooling air flow is supplied to the heat sink of the electric motor and / or the heat sink of the converter.
  • the fan wheel is thus preferably rotated about the fan axis by means of the motor shaft.
  • the fan is rotationally rigidly connected to the motor shaft.
  • the fan wheel sits on the motor shaft or on an extension of the motor shaft.
  • the fan axis coincides with the
  • the fan is driven by means of a separate fan drive.
  • the fan drive preferably comprises an electric fan motor, by means of which the fan is driven.
  • the fan wheel is thus preferably rotated about the fan axis by means of the fan drive, in particular by means of the electric fan motor.
  • a separately driven fan is also called
  • Cooling air flow can be adjusted independently of the engine speed. This is particularly advantageous when the electric motor is operated more frequently at a low speed.
  • the inverter comprises an input stage and one of these downstream
  • the input stage is preferably an electrically rectifying input stage, e.g. a rectifier. Furthermore, the input stage may be suitable for a single-phase or multi-phase input current
  • the input current is in particular a single-phase or multi-phase alternating current and is
  • an AC power source Preferably supplied by an AC power source, so that the input stage on the input side preferably with a AC power source is coupled, which is preferably a single-phase or a multi-phase AC power source.
  • the AC power source can be powered by an electrical network
  • Input stage rectifying devices such as e.g. Diodes and / or thyristors.
  • the components can also be used to generate a voltage across the switches.
  • Transistors such as IGBTs include.
  • the input stage can be used as a passive or as an actively controllable rectifier
  • the output stage outputs, in particular, an output current to the electric motor, which preferably forms the operating current of the electric motor.
  • the output current may be a direct current, e.g. in the form of a pulsed or pulse-wave modulated signal.
  • the output current may be a single-phase or multi-phase alternating current, so that the output stage is preferably designed as an inverter.
  • the output stage forms a transistor output stage to include transistors, preferably IGBTs.
  • the input stage is electrically coupled to the output stage, in particular via a DC intermediate circuit.
  • the DC intermediate circuit preferably comprises at least one DC link capacitor. Is preferred with the
  • the e.g. one or more diodes comprise or are formed by an emergency power supply system (backup system) electrically connected, e.g. one or more accumulators and / or capacitors (e.g.
  • an emergency power supply system backup system
  • accumulators e.g. one or more accumulators and / or capacitors
  • Converter control provided, by means of which the inverter is controlled, wherein the converter control in particular forms a part of the structural unit and is preferably fixedly connected thereto.
  • the converter control in particular forms a part of the structural unit and is preferably fixedly connected thereto.
  • Inverter control arranged in the inverter housing and / or in the motor housing.
  • the inverter control is arranged in a separate control housing and in particular fixed in this, which preferably with the motor housing and / or with the
  • control housing preferably forms part of the structural unit.
  • the control housing preferably forms part of the structural unit.
  • Inverter control added to the inverter.
  • the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the inverter control is in particular electrically connected to the output stage and controls it. Furthermore, the
  • the inverter control to be electrically connected to the input stage and control this, if the input stage is controllable.
  • the inverter control comprises at least one control, by means of which at least one operating variable of the electric motor is controlled, which includes, for example, the angular position of the motor shaft, the rotational speed of the motor shaft and / or the operating current of the electric motor.
  • the converter control is thus preferably electrically coupled to at least one sensor provided on the electric motor, by means of which the at least one or at least one operating variable of the electric motor is measured.
  • the at least one sensor comprises or forms a position sensor, by means of which the position of the motor shaft relative to the motor housing and / or a change in position of the motor shaft relative to the motor housing can be detected. In particular, the position describes a rotation of the motor shaft relative to the motor housing about the motor axis (rotational position or
  • the position sensor comprises or forms e.g. an absolute angle encoder, an incremental encoder or a resolver.
  • the speed of the motor shaft can be detected by means of the position sensor.
  • the at least one sensor a tachometer for detecting the rotational speed of the motor shaft.
  • the tachometer may be provided additionally or alternatively to the position sensor and / or to one or more other sensors.
  • the at least one sensor thus preferably comprises an absolute one
  • Resolver and / or possibly additionally the or one
  • Tachometer such as a sine-cosine transducer, a tachogenerator or a resolver.
  • Angle position of the motor shaft detected and a corresponding actual value, preferably in the form of an actual value signal, are formed.
  • Inverter control a position control, by means of which the angular position of the motor shaft is controlled.
  • the current angular position (angular position actual value) of the motor shaft is the position control of the position sensor, in particular of the absolute angle encoder, the incremental encoder or the resolver.
  • the inverter control comprises a speed control, by means of which the speed of the motor shaft is controlled.
  • the current speed (speed feedback) of the motor shaft is supplied to the speed control of the tachometer and / or the position sensor.
  • the converter control preferably comprises at least one temperature monitor, by means of which the temperature of the electric motor is monitored.
  • the preferred is thus the
  • Inverter control electrically coupled to at least one temperature sensor provided on the electric motor, by means of which the engine temperature is measured.
  • the current engine temperature (temperature actual value) becomes the
  • Temperature control supplied by the temperature sensor is supplied by the temperature sensor.
  • a control device coupled to the converter and / or the inverter control and preferably arranged at a distance from the structural unit is provided, by means of which the converter and / or the converter control is controlled.
  • Control means is e.g. Part of a parent
  • Blattwinkelverstellsystem here is preferably a system to understand, which comprises a plurality of Blattwinkelverstellantriebe, by means of which several rotor blades to their
  • Leaf axes are rotatable. Everybody is
  • Blattwinkelverstellantriebe are in particular by Blattwinkelverstellantriebe invention formed and preferably constructed similar.
  • the structural unit is fastened in particular on or in a rotor of the wind turbine comprising the rotor blade, which is preferably rotated by wind about a rotor axis.
  • the structural unit sits on or in a rotor hub of the rotor, on which the rotor blade to the
  • Leaf axis is rotatably mounted, which preferably extends transversely or substantially transversely to the rotor axis.
  • the converter is integrated in or on the electric motor.
  • the electric motor and the inverter form a unit.
  • the integration of the inverter is thus carried out by installation in the electric motor or by attachment to the electric motor.
  • Installation space for the inverter is e.g. realized by increasing the motor volume, by extending the motor in the axial direction or mounting an inverter housing to the electric motor in the axial direction or by mounting the inverter housing to the electric motor in the radial direction.
  • the converter cooling is preferably carried out by using the existing engine cooling of the electric motor, in that the cooling air flow is guided, in particular, firstly through or via correspondingly designed cooling fins of the converter and subsequently through or over the cooling fins of the electric motor.
  • Air flow is to be designed in particular such that an optimal cooling effect is achieved.
  • the fan is preferably designed as a forced cooling fan.
  • the fan can also be designed as a self-ventilator, in particular in shape from arranged on the motor shaft fan blades (fan blades).
  • the drive according to the invention is particularly in
  • Wind turbines used preferably as
  • axle cabinets in the rotor hub can be made smaller or completely eliminated, so that the required
  • the wiring can be significantly simplified.
  • the manufacturing costs of the Blattwinkelverstellsystems can be reduced.
  • the invention further relates to a wind turbine with a rotatable by wind about a rotor axis, a rotor hub and a plurality of rotor blades mounted on this rotor, each extending in the direction of a transverse or substantially transversely to the rotor axis extending blade axis of the rotor hub, and at least one Blattwinkelverstellantrieb, the at least one
  • the Blattwinkelverstellantrieb is in particular an inventive
  • Fig. 1 is a schematic representation of a
  • Fig. 3 is a longitudinal section through the
  • Fig. 4 is a longitudinal section through the
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the
  • Fig. 6 is a schematic view of a
  • Fig. 7 is a schematic view of a
  • Fig. 8 is a schematic view of a
  • a wind turbine 1 can be seen, with a standing on a foundation 2 tower 3 at his the
  • the machine house 4 includes a
  • Machine carrier 5 on which a rotor 6 is rotatably mounted about a rotor axis 7, the rotor hub 8 and thus
  • Each of the rotor blades 9 and 10 is provided with a
  • the rotor 6 is mechanically coupled to an electric generator 16 which is disposed in the machine house 4 and fixed to the machine frame 5.
  • the rotor 6 is rotated by wind 15 about its rotor axis 7, wherein the rotational energy of the rotor 6 is converted to a large extent by means of the generator 16 into electrical energy.
  • a wind turbine control 17 is provided, by means of which, among other things, the Blattwinkelverstellantriebe 13 and 14 are controlled.
  • the Blattwinkelverstellantrieb 13 is shown in Fig. 2 in
  • FIG. 1 represents a perspective view and includes a
  • Electric motor 18 with a motor housing 19 to which a fan housing 20 is attached.
  • An inverter housing 21 is attached to the fan housing 20 so that the fan housing 20 is arranged in the axial direction 22 between the motor housing 19 and the converter housing 21.
  • the electric motor 18 includes a motor shaft 23 which is rotatable relative to the motor housing 19 about a motor axis 24 extending in the axial direction 22.
  • the motor shaft 23 is mechanically with the
  • Rotor blade 9 coupled, whereas the motor housing 19 is fixed by means of a mounting flange 25 to the rotor hub 8.
  • a converter 26 (see FIG. 5) is arranged, so that the electric motor 18 and the inverter 26 are combined to form a structural unit.
  • the motor housing 19 includes a plurality of cooling fins 27 for cooling the electric motor 18th
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through the
  • Fan housing 20 arranged fan 28 can be seen, which is driven by means of the motor shaft 23.
  • the fan 28 generates a cooling air flow 29 from the outside into the
  • Inverter housing 21 enters and flows through this. there the cooling air flow 29 flows along in the
  • Inverter housing 21 arranged cooling fins 31 of the inverter 26 so that it is cooled. After that, the
  • Cooling air flow 29 is fluidly connected to the inverter housing. In the L.gerjeuse 20, the cooling air flow 29 is guided radially outwards by means of a flow guide 30, occurs in the region of the cooling fins 27 from the
  • Fan housing 20 and flows outside of the motor housing 19 in the axial direction 22 along the cooling fins 27 of the
  • the radial direction here is a direction transverse to the axial direction 22 to understand.
  • one or more openings 32 are provided in this, and for the exit of the cooling air flow 29 from the fan housing 20 in this one or more openings 33 are provided. Since the fan 28 is driven by the motor shaft 23, the direction of the cooling air flow 29 is dependent on the direction of rotation of the motor shaft 23. Referring to FIG. 3, the motor shaft 23 rotates in FIG.
  • the motor housing 19 comprises two bearing plates 53 and 54, by means of which the motor housing 19 is closed on both sides in the axial direction, wherein the motor shaft 23 in the Bearing shields 53 and 54 is rotatably mounted about the motor shaft 24.
  • the bearing plate 54 simultaneously forms the flow guide wall 30.
  • the fan 28 includes a fan 34 with fan blades 35, wherein the fan 34 is rotationally fixed to the motor shaft 23 is connected.
  • the fan 34 further includes a
  • Cooling air flow 29 in the radial direction is used.
  • the electric motor 18 has a stator 37 which is rigidly connected to the motor housing 19 and a rotor 38 which is rotatable about the motor axis 24 and encompasses the motor shaft 23.
  • the stator 37 and the rotor 38 each carry only schematically illustrated windings 39 and 40, respectively.
  • FIG. 4 is a longitudinal section through the
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the inverter 26 can be seen, which has an input stage 41 and a
  • Transistor output stage 42 which is electrically connected via a capacitor 56 comprising a DC intermediate circuit 43 to the input stage 41. through an AC power source 44, the input stage 41 is supplied with a multi-phase alternating current, which is supplied by the as
  • Rectifier operating input stage 41 rectified and delivered as DC to the DC intermediate circuit 43.
  • the output stage 42 fed by the DC intermediate circuit 43 comprises transistors 45, which are controlled by the converter control 46, so that an electrical operating current 47 is made available to the electric motor 18 by means of the controlled transistors 45.
  • the inverter control 46 comprises a speed control 49, a position control 57 and a temperature monitor 50, wherein the speed control 49 with a tachometer 51, the position control 57 with a position sensor 58, e.g. in the form of an absolute angle encoder, and the
  • Temperature monitoring 50 is electrically connected to a temperature sensor 52.
  • the tachometer 51, the position sensor 58 and the temperature sensor 52 are arranged on the motor 18, wherein the tachometer 51 measures the rotational speed of the motor shaft 23, the position sensor 58 measures the angular position of the motor shaft 23 and the temperature sensor 52 measures
  • Temperature of the electric motor 18 measures.
  • the measured quantities are made available to the respective control or monitoring as actual values.
  • the tachometer can be omitted.
  • the inverter controller 46 is further provided with an external one
  • Control means 48 electrically connected, by means of which the inverter control 46 is controlled.
  • the controller 57 by means of the control device 48, a desired value to be supplied.
  • the external control device 48 is preferably formed by the wind turbine control 17.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a
  • Embodiment of the invention can be seen, wherein identical or similar features to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the fan is not connected to the motor shaft 23, but is driven by a separate electric fan motor 59 which is arranged and fixed in the fan housing 20.
  • the inverter control 46 is arranged in the converter housing 21, so that no separate
  • Embodiment is directed.
  • FIG. 7 is a schematic representation of a
  • Embodiment of the invention can be seen, wherein identical or similar features to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the motor 18 is arranged with its cooling fins 27 in a formed by the fan housing 20 and extending in the axial direction 22 tube 61, from which the motor 18 extends out in the axial direction. Furthermore, that is
  • Inverter housing 21 placed on the motor housing 19 and connected to this with the interposition of a heat sink 62, which is attributed to the inverter 26 and
  • Inverter housing 21 forms a material unit.
  • Converter housing 21 is thus secured with the interposition of the heat sink 62 on a lateral surface 64 of the motor housing 19.
  • the fan 28 is at one end of the
  • Motor housing 19 is arranged and is driven by the motor shaft 23, wherein in the fan housing 20, a recess 63 is provided through which the heat sink 62 extends therethrough. Furthermore, an opening 65 is provided in the fan housing 20 at the front, through which the
  • Cooling air flow 29 can enter from the environment in the fan housing 20. Since the fan 28 is driven by the motor shaft 23, the cooling air flow 29 reverses by reversing the direction of rotation of the motor shaft 23.
  • tubular fan housing 20 are arranged, the
  • Cooling ribs 27 positively driven and can not in radial
  • the heat sink 62 seated on the motor housing 19 is cooled by the cooling air flow 29, so that a simultaneous cooling of the inverter 26 and / or converter housing 21 and the motor 18 and / or
  • Motor housing 19 is carried by the cooling air flow 29. At its side facing away from the motor 18 are on the
  • Inverter housing 21 cooling fins 66 is provided in addition contribute to the cooling of the inverter 26. Furthermore, the
  • Inverter controller 46 disposed in the inverter housing 21.
  • a second converter housing may be connected to a second converter with the interposition of a second heat sink with the motor housing 19, so that the inverter
  • the two converter housings are preferably arranged diametrically opposite one another with respect to the motor axis 24.
  • FIG. 8 is a schematic representation of a
  • Embodiment of the invention can be seen, wherein identical or similar features to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the motor 18 is arranged with its cooling ribs 27 in a formed by the fan housing 20 and extending in the axial direction 22 tube 61, from which the motor 18 extends in the axial direction.
  • the converter housing 21 is arranged on an end face of the motor 18,
  • Fan housing 20 includes a in the radial direction extending and in the pipe 61 opening pipe 67, in which the fan 28 is arranged, which has a separate fan motor 59, by means of which the fan 34 is rotated about a fan axis 68, which is transverse to the axial
  • Motor housing 19 is arranged.
  • a recess 63 is provided in the fan housing 20, through which a cooling body 62 of the converter 26, which is provided in particular with cooling fins 31, extends through and into the pipe 67.
  • an opening 65 is provided in the tube 67 at the front end, through which the cooling air flow 29 from the environment can enter into the ventilator housing 20.
  • a deflection element 69 is arranged, by means of which the motor housing 19 in particular radially inflowing cooling air flow 29 is deflected in the axial direction 22.
  • deflection element 69 forms part of the
  • the deflecting element 69 may also be provided on the motor housing 19 or on the fan housing 20. Furthermore, it is possible to add extra
  • Fan housing 20 are arranged, the cooling air flow 29 in the axial direction 22 along the cooling fins 27th
  • the heat sink 62 is cooled by the cooling air flow 29.
  • cooling fins 66 which additionally contribute to the cooling of the converter 26, are provided on the converter housing 21. The at the
  • the fourth embodiment builds relatively short in the axial direction.
  • Inverter housing 21 arranged electronic components can be made longer, so that they are better cooled. Furthermore, these can
  • Components and / or cooling elements are arranged at a greater distance from the motor 18.

Abstract

Blattwinkelverstellantrieb für eine Windkraftanlage, mit wenigstens einem ein Motorgehäuse (19) aufweisenden Elektromotor (18), der elektrisch mit einem Umrichter (26) und mechanisch mit einem Rotorblatt (9) gekoppelt ist, welches mittels des Elektromotors (18) um eine Blattachse (11) drehbar ist, wobei der Elektromotor (18) mittels des Umrichters (26) gesteuert oder geregelt wird, und wobei der Elektromotor (18) und der Umrichter (26) zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind.

Description

Blattwinkelverstellantrieb für eine Windkraftanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Blattwinkelverstellantrieb für eine Windkraftanlage, mit wenigstens einem ein Motorgehäuse aufweisenden Elektromotor, der elektrisch mit einem Umrichter und mechanisch mit einem Rotorblatt gekoppelt ist, welches mittels des Elektromotors um eine Blattachse drehbar ist, wobei der Elektromotor mittels des Umrichters gesteuert oder geregelt wird.
Ein solcher Antrieb ist beispielsweise aus der DE 103 38 127 B4 bekannt.
In Windkraftanlagen werden zur Regelung der Blattposition der Rotorblätter Blattwinkelverstellantriebe mit Elektromotoren und Umrichtern als Blattwinkelverstellsystem eingesetzt. Die Blattwinkelverstellantriebe können dabei sowohl auf
Gleichstrombasis als auch auf Wechselstrombasis ausgeführt sein. Ein Blattwinkelverstellantrieb auf Gleichstrombasis umfasst insbesondere einen Gleichstromumrichter und einen Gleichstrommotor, z.B. in Form einer Reihenschlussmaschine, einer Nebenschlussmaschine oder einer Doppelschlussmaschine. Ein Blattwinkelverstellantrieb auf Wechselstrombasis umfasst insbesondere einen Frequenzumrichter mit oder ohne
vektororientierter Regelung und eine Drehstrommaschine, z.B. in Form einer Asynchronmaschine oder einer Synchronmaschine. Alternativ umfasst der Blattwinkelverstellantrieb auf
Wechselstrombasis einen Servoumrichter und eine
Synchronmaschine oder auch elektrisch kommutierte
Gleichstrommaschinen. Die eingesetzten Umrichter sind in Achsschränken eingebaut, in denen auch andere Komponenten des Blattwinkelverstellsystems untergebracht sind. Die Verbindung eines Umrichters mit dem zugeordneten Motor erfolgt über eine Verkabelung innerhalb des Achsschranks sowie durch Stecker und Leitungen außerhalb des Achsschranks. Für die in den Umrichtern realisierten Regelkreise zum Regeln der Position und der Drehzahl der Motorwelle sowie für die Auswertung der Motortemperatur werden die jeweiligen Istwerte durch am Motor angebaute Komponenten geliefert, die beispielsweise einen absoluten Winkelkodierer (z.B. SSI-Kodierer), einen Sinus- Cosinus-Geber, einen Tachogenerator, einen Temperaturfühler und/oder andere Baugruppen umfassen. Die Komponenten werden über eine Verkabelung und über Stecker zum Achsschrank und durch eine Verkabelung innerhalb des Achsschranks zum
Umrichter geführt.
Die für die Regelung des Motors erforderlichen Istwerte sind Störeinkopplungen ausgesetzt, sodass die vorhandene
Schnelligkeit der Istwert-Bildung durch die Komponenten nicht genutzt werden kann und/oder die Istwerte selbst verändert werden können. Hierdurch ist ein Zusatzaufwand zur
Störunterdrückung und zum externen Blitzschutz erforderlich. Die Leitungsführung der Verkabelung in den Schränken führt zur möglichen Störbeeinflussung der Istwert-Signalleitungen, sodass die Leitungen zum Motor, die sowohl Leistungskabel als auch Istwert-Kabel umfassen, abgeschirmt ausgeführt werden. Ferner muss für die Umrichter ausreichender Einbauplatz in den Achsschränken vorgesehen sein, wobei der für die Schränke zur Verfügung stehende Einbauraum sehr beschränkt ist.
Die Umrichter erzeugen zusätzliche Verlustleistung im
Achsschrank, die abgeführt werden muss. Außerdem führt die Verlustleistung der anderen Komponenten im Achsschrank dazu, dass die Umgebungstemperatur der Elektronik in ungünstigen Fällen sehr hoch sein kann (z.B. bis zu 80 °C) .
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen Blattwinkelverstellantrieb der eingangs genannten Art den Raumbedarf für die Achsschränke und den
Verkabelungsaufwand zu reduzieren. Bevorzugt soll auch die Störbeeinflussung von Signalleitungen von am Elektromotor angebauten Komponenten reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben .
Der erfindungsgemäße Blattwinkelverstellantrieb für eine Windkraftanlage umfasst wenigstens einen ein Motorgehäuse aufweisenden Elektromotor, der elektrisch mit einem Umrichter und mechanisch mit einem Rotorblatt gekoppelt ist, welches mittels des Elektromotors um eine Blattachse drehbar ist oder gedreht wird, wobei der Elektromotor mittels des Umrichters gesteuert und/oder geregelt wird, und wobei der Elektromotor und der Umrichter zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind .
Dadurch, dass der Elektromotor und der Umrichter eine
bauliche Einheit, vorzugsweise eine kompakte bauliche
Einheit, bilden, können die Achsschränke kleiner ausgebildet werden oder sogar entfallen, sodass weniger Einbauraum in der Rotornabe erforderlich ist. Da mehrere elektrische Leitungen, die sich herkömmlich zwischen dem Achsschrank und dem
Elektromotor erstrecken, nun innerhalb oder an der baulichen Einheit verlegt werden können, kann der Aufwand für
Blitzschutzmaßnahmen und für Kabelabschirmungen reduziert werden. Ferner kann die Verkabelung zwischen dem Elektromotor und dem Umrichter relativ kurz gehalten werden. Die
Störbeeinflussung von Signalleitungen von an dem Elektromotor angebauten Komponenten ist deutlich reduzierbar, was zu einer höheren Funktionssicherheit des Blattwinkelverstellantriebs führt. Durch die Reduzierung des Bauraumbedarfs und des
Verkabelungsaufwands sowie durch die Verkleinerung oder den Wegfall der Achsschränke können der Inbetriebnahme-Aufwand und die Herstellungskosten spürbar reduziert werden.
Gemäß einer ersten Alternative der Erfindung ist der
Umrichter in dem Motorgehäuse angeordnet und insbesondere in diesem befestigt. Der für den Umrichter erforderliche
Einbauraum kann z.B. dadurch geschaffen werden, dass das Motorvolumen vergrößert und/oder der Motor in Achsrichtung verlängert wird. Insbesondere wird dazu das Motorgehäuse bezüglich seines Volumens vergrößert und/oder in Achsrichtung verlängert. Der Umrichter kann innerhalb des Motorgehäuses in einem Umrichtergehäuse oder ohne zusätzliches Gehäuse
angeordnet sein.
Gemäß einer zweiten Alternative ist der Umrichter in einem an dem Motorgehäuse befestigten Umrichtergehäuse angeordnet und insbesondere in diesem befestigt. Das Umrichtergehäuse bildet vorzugsweise einen Teil der baulichen Einheit. Bevorzugt ist das Umrichtergehäuse mit dem Motorgehäuse direkt oder unter Zwischenschaltung eines mit diesem fest verbundenen
Lüftergehäuses verbunden. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verbindung des Umrichtergehäuses mit dem Motorgehäuse ohne Zwischenschaltung eines passiven Kühlkörpers. Es ist aber auch möglich, dass die Verbindung des Umrichtergehäuses mit dem Motorgehäuse unter
Zwischenschaltung eines passiven Kühlkörpers erfolgt.
Das Umrichtergehäuse kann auf das Motorgehäuse aufgesetzt sein und sich insbesondere in Richtung einer Längsachse des Motorgehäuses erstrecken. Beispielsweise ist das
Umrichtergehäuse auf die Außenmantelfläche des Motorgehäuses aufgesetzt. Alternativ kann das Umrichtergehäuse quer zur Längsachse des Motorgehäuses oder zur Motorachse angeordnet sein und sich insbesondere quer zur Längsachse des
Motorgehäuses erstrecken. Beispielsweise ist das
Umrichtergehäuse an oder im Bereich einer Stirnseite des Motorgehäuses angeordnet und sitzt z.B. an oder im Bereich einer der Stirnwände des Motorgehäuses.
Der Elektromotor umfasst bevorzugt eine an dem Motorgehäuse um eine Motorachse drehbar gelagerte Motorwelle, die
insbesondere mechanisch mit dem Rotorblatt gekoppelt ist, vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Getriebes. Die Motorwelle ist bevorzugt mittels des Elektromotors um die Motorachse drehbar. Insbesondere verläuft die Motorwelle in einer axialen Richtung, wobei eine quer oder senkrecht zur axialen Richtung verlaufende Richtung insbesondere als radiale Richtung bezeichnet wird. Vorzugsweise verläuft die Längsachse des Motorgehäuses in axialer Richtung.
Insbesondere fällt die Längsachse des Motorgehäuses mit der Motorachse zusammen. Das Motorgehäuse ist bevorzugt in axialer Richtung beidseitig mit Stirnwänden geschlossen, wobei die Stirnwände vorzugsweise durch Lagerschilde gebildet sind. Die Motorwelle ist insbesondere an den beiden
Stirnwänden des Motorgehäuses um die Motorachse drehbar gelagert und durchdringt vorzugsweise beide oder eine der Stirnwände .
Der Elektromotor kann als Gleichstrommaschine oder als
Drehstrommaschine ausgebildet sein. Die Gleichstrommaschine bildet insbesondere einen Gleichstrommotor, der z.B. als Reihenschlussmaschine, als Nebenschlussmaschine oder als Doppelschlussmaschine betrieben wird. Die Drehstrommaschine ist bevorzugt als Asynchronmaschine, als Synchronmaschine oder als elektrisch kommutierte Gleichstrommaschine
ausgebildet .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine den
Elektromotor und den Umrichter kühlende Kühlvorrichtung vorgesehen, die insbesondere einen Teil der baulichen Einheit bildet und beispielsweise an oder in dieser vorgesehen ist. Somit kann auf separate Kühlvorrichtungen für den
Elektromotor und den Umrichter verzichtet werden, sodass die Herstellungskosten reduzierbar sind. Bevorzugt handelt es sich bei der Kühlvorrichtung um eine aktive Kühlvorrichtung. Insbesondere umfasst die Kühlvorrichtung wenigstens einen Lüfter, der einen den Elektromotor und den Umrichter
kühlenden Kühlluftstrom erzeugt. Vorzugsweise wird der Lüfter dabei derart angetrieben, dass der Kühlluftstrom zunächst den Umrichter und danach den Elektromotor kühlt. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass in dem Umrichter vorgesehene Halbleiterbauelemente in der Regel temperaturempfindlicher als der Elektromotor sind. Es ist aber auch möglich, dass der Kühlluftstrom zunächst den Elektromotor und danach den
Umrichter kühlt oder dass der Kühlluftstrom den Umrichter und den Elektromotor gleichzeitig kühlt.
Bevorzugt umfasst die Kühlvorrichtung das oder ein
Lüftergehäuse, in dem der Lüfter angeordnet ist. Das
Lüftergehäuse bildet vorzugsweise einen Teil der baulichen Einheit .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Lüfter ein Lüfterrad auf, welches vorzugsweise Lüfterschaufeln trägt. Insbesondere ist das Lüfterrad um eine Lüfterachse drehbar im oder am Motorgehäuse, im oder am Lüftergehäuse oder im oder am Umrichtergehäuse gelagert.
Der Lüfter kann in einer axialen Verlängerung der Motorachse angeordnet sein. Beispielsweise ist der Lüfter an oder im Bereich einer Stirnseite des Elektromotors, insbesondere an oder im Bereich einer der Stirnwände des Motorgehäuses, angeordnet. Vorzugsweise ist der Lüfter zwischen dem
Elektromotor und dem Umrichter angeordnet. Hierdurch ist ein besonders schlanker Aufbau erzielbar. Ferner kann der Lüfter quer zur Motorachse und/oder zum Motorgehäuse angeordnet sein. Bevorzugt kann dabei der erzeugte Kühlluftstrom über ein oder mehrere Umlenkelemente sowohl den Elektromotor als auch den Umrichter und/oder das Umrichtergehäuse kühlen.
Beispielsweise ist der Lüfter im radialen Abstand zum
Motorgehäuse angeordnet.
Gemäß einer ersten Alternative verläuft die Lüfterachse parallel zur Motorachse oder fällt mir dieser zusammen. Gemäß einer zweiten Alternative verläuft die Lüfterachse quer oder schräg zur Motorachse.
Das Lüftergehäuse kann in einer axialen Verlängerung der Motorachse angeordnet sein. Beispielsweise ist das
Lüftergehäuse an oder im Bereich einer Stirnseite des
Elektromotors, insbesondere an oder im Bereich einer der Stirnwände des Motorgehäuses angeordnet. Vorzugsweise ist das Lüftergehäuse zwischen dem Motorgehäuse und dem
Umrichtergehäuse angeordnet. Ferner kann das Lüftergehäuse ganz oder teilweise quer zur Motorachse und/oder zum
Motorgehäuse angeordnet sein. Beispielsweise erstreckt sich das Lüftergehäuse oder ein Teil des Lüftergehäuses in
radialer Richtung von dem Motorgehäuse weg.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Motorgehäuse ganz oder teilweise in dem Lüftergehäuse angeordnet.
Vorzugsweise bildet oder umfasst das Lüftergehäuse ein sich in axialer Richtung erstreckendes Rohr, in dem das
Motorgehäuse angeordnet ist. Insbesondere erstreckt sich das Motorgehäuse in axialer Richtung aus dem Rohr heraus. Somit kann der Kühlluftstrom entlang des Motorgehäuses in axialer Richtung geführt werden. Gemäß einer Ausgestaltung der
Erfindung umfasst das Lüftergehäuse ein in das Rohr
einmündendes und sich in radialer Richtung erstreckendes zweites Rohr, in dem insbesondere der Lüfter angeordnet ist.
Bevorzugt umfasst der Elektromotor wenigstens einen dem
Kühlluftstrom ausgesetzten Kühlkörper. Der Kühlkörper weist insbesondere Kühlrippen auf, die von dem Kühlluftstrom gekühlt werden. Dazu kann der Kühlluftstrom durch oder über die Kühlrippen strömen. Insbesondere strömt der Kühlluftstrom entlang der Kühlrippen, vorzugsweise in axialer Richtung. Die Kühlrippen sind bevorzugt am Motorgehäuse vorgesehen, vorzugsweise an dessen Außenumfang. Bevorzugt umfasst der Umrichter wenigstens einen den Kühlluftstrom ausgesetzten Kühlkörper. Dieser Kühlkörper weist vorzugsweise Kühlrippen auf, die von dem Kühlluftstrom gekühlt werden. Beispielsweise strömt der Kühlluftstrom durch oder über die Kühlrippen des Umrichters. Insbesondere strömt der Kühlluftstrom entlang der Kühlrippen des Umrichters, vorzugsweise in axialer oder radialer Richtung. Die Kühlrippen des Umrichters sind
bevorzugt am oder im Umrichtergehäuse, am oder im
Lüftergehäuse und/oder am oder im Motorgehäuse vorgesehen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind ein oder mehrere Umlenkelemente vorgesehen, mittels welchen der Kühlluftstrom dem Kühlkörper des Elektromotors und/oder dem Kühlkörper des Umrichters zugeführt wird.
Gemäß einer ersten Variante wird der Lüfter mittels der
Motorwelle angetrieben. Das Lüfterrad wird somit vorzugsweise mittels der Motorwelle um die Lüfterachse gedreht. Diese Variante bietet den Vorteil, dass kein separater Antrieb für den Lüfter erforderlich ist. Bevorzugt ist das Lüfterrad drehstarr mit Motorwelle verbunden. Insbesondere sitzt das Lüfterrad auf der Motorwelle oder auf einem Fortsatz der Motorwelle. Vorzugsweise fällt die Lüfterachse mit der
Motorachse zusammen.
Gemäß einer zweiten Variante wird der Lüfter mittels eines separaten Lüfterantriebs angetrieben. Der Lüfterantrieb umfasst vorzugsweise einen elektrischen Lüftermotor, mittels welchem der Lüfter angetrieben wird. Das Lüfterrad wird somit vorzugsweise mittels des Lüfterantriebs, insbesondere mittels des elektrischen Lüftermotors um die Lüfterachse gedreht. Ein solcher, separat angetriebener Lüfter wird auch als
Fremdlüfter bezeichnet und bietet den Vorteil, dass der
Kühlluftstrom unabhängig von der Motordrehzahl eingestellt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Elektromotor häufiger mit einer geringen Drehzahl betrieben wird .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Umrichter eine Eingangsstufe und eine dieser nachgeschaltete
Ausgangsstufe, die ausgangsseitig mit dem Elektromotor elektrisch gekoppelt ist. Die Eingangsstufe ist bevorzugt eine elektrisch gleichrichtende Eingangsstufe, wie z.B. ein Gleichrichter. Ferner kann die Eingangsstufe für einen einphasigen oder mehrphasigen Eingangsstrom geeignet
ausgebildet sein. Der Eingangsstrom ist insbesondere ein einphasiger oder mehrphasiger Wechselstrom und wird
vorzugsweise von einer Wechselstromquelle geliefert, sodass die Eingangsstufe eingangsseitig bevorzugt mit einer Wechselstromquelle gekoppelt ist, die vorzugsweise eine einphasige oder eine mehrphasige Wechselstromquelle ist. Die Wechselstromquelle kann durch ein elektrisches Netz zur
Verfügung gestellt werden. Bevorzugt umfasst die
Eingangsstufe gleichrichtende Bauelemente, wie z.B. Dioden und/oder Thyristoren. Die Bauelemente können aber auch
Transistoren, wie z.B. IGBTs umfassen. Die Eingangsstufe kann als passiver oder als aktiv steuerbarer Gleichrichter
ausgebildet sein.
Die Ausgangsstufe gibt an den Elektromotor insbesondere einen Ausgangsstrom ab, der vorzugsweise den Betriebsstrom des Elektromotors bildet. Der Ausgangsstrom kann ein Gleichstrom sein, z.B. in Form eines gepulsten oder pulswellenmodulierten Signals. Alternativ kann der Ausgangsstrom ein einphasiger oder mehrphasiger Wechselstrom sein, sodass die Ausgangsstufe vorzugsweise als Wechselrichter ausgebildet ist. Bevorzugt bildet die Ausgangsstufe eine Transistorausgangsstufe, sodass sie Transitoren umfasst, vorzugsweise IGBTs.
Die Eingangsstufe ist mit der Ausgangsstufe insbesondere über einen Gleichstromzwischenkreis elektrisch gekoppelt. Der Gleichstromzwischenkreis umfasst vorzugsweise wenigstens einen Zwischenkreiskondensator . Bevorzugt ist mit dem
Zwischenkreis ferner, insbesondere über ein oder mehrere Kuppelelemente, die z.B. eine oder mehrere Dioden umfassen oder durch diese gebildet sind, ein Notstromversorgungssystem (Backup-System) elektrisch verbunden, welches z.B. ein oder mehrere Akkumulatoren und/oder Kondensatoren (wie z.B.
Ultracaps) umfasst, sodass ein Betrieb des Motors auch bei einem Ausfall der Stromversorgung der Eingangsstufe
gewährleistet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine
Umrichtersteuerung vorgesehen, mittels welcher der Umrichter gesteuert wird, wobei die Umrichtersteuerung insbesondere einen Teil der baulichen Einheit bildet und vorzugsweise fest mit dieser verbunden ist. Beispielsweise ist die
Umrichtersteuerung in dem Umrichtergehäuse und/oder in dem Motorgehäuse angeordnet. Gemäß einer Alternative ist die Umrichtersteuerung in einem separaten Steuerungsgehäuse angeordnet und insbesondere in diesem befestigt, welches vorzugsweise mit dem Motorgehäuse und/oder mit dem
Lüftergehäuse und/oder mit dem Umrichtergehäuse fest
verbunden ist. Das Steuerungsgehäuse bildet bevorzugt einen Teil der baulichen Einheit. Vorzugsweise wird die
Umrichtersteuerung dem Umrichter zugerechnet.
Die Umrichtersteuerung ist insbesondere mit der Ausgangsstufe elektrisch verbunden und steuert diese. Ferner kann die
Umrichtersteuerung mit der Eingangsstufe elektrisch verbunden sein und diese steuern, sofern die Eingangsstufe steuerbar ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst die Umrichtersteuerung wenigstens eine Regelung, mittels welcher zumindest eine Betriebsgröße des Elektromotors geregelt wird, die z.B. die Winkelposition der Motorwelle, die Drehzahl der Motorwelle und/oder den Betriebsstrom des Elektromotors umfasst. Die Umrichtersteuerung ist somit bevorzugt mit wenigstens einem an dem Elektromotor vorgesehenen Sensor elektrisch gekoppelt, mittels welchem die wenigstens eine oder wenigstens eine Betriebsgröße des Elektromotors gemessen wird. Vorteilhaft umfasst oder bildet der wenigstens eine Sensor einen Lage- Sensor, mittels welchem die Lage der Motorwelle relativ zu dem Motorgehäuse und/oder eine Lageänderung der Motorwelle relativ zu dem Motorgehäuse erfassbar ist. Dabei beschreibt die Lage insbesondere eine Verdrehung der Motorwelle relativ zu dem Motorgehäuse um die Motorachse (Dreh-Lage oder
Winkelposition). Der Lage-Sensor umfasst oder bildet z.B. einen absoluter Winkelkodierer, einen Inkrementalgeber oder einen Resolver. Bevorzugt ist mittels des Lage-Sensors auch die Drehzahl der Motorwelle erfassbar. Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung umfasst oder bildet der
wenigstens eine Sensor einen Drehzahlmesser zur Erfassung der Drehzahl der Motorwelle. Der Drehzahlmesser kann zusätzlich oder alternativ zu dem Lage-Sensor und/oder zu einem oder mehreren anderen Sensoren vorgesehen sein. Der wenigstens eine Sensor umfasst somit vorzugsweise einen absoluten
Winkelkodierer oder einen Inkrementalgeber oder einen
Resolver und/oder ggf. zusätzlich den oder einen
Drehzahlmesser, wie z.B. einen Sinus-Cosinus-Geber, einen Tachogenerator oder einen Resolver. Bevorzugt kann mittels des wenigstens einen Sensors, insbesondere mittels des Lage- Sensors, eine Änderung der aktuellen Dreh-Lage oder
Winkelposition der Motorwelle erfasst und ein entsprechender Ist-Wert, vorzugsweise in Form eines Istwert-Signals, gebildet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die
Umrichtersteuerung eine Positionsregelung, mittels welcher die Winkelposition der Motorwelle geregelt wird. Die aktuelle Winkelposition (Winkelpositions-Istwert ) der Motorwelle wird der Positionsregelung von dem Lage-Sensor, insbesondere von dem absoluten Winkelkodierer, dem Inkrementalgeber oder dem Resolver geliefert. Bevorzugt umfasst die Umrichtersteuerung eine Drehzahlregelung, mittels welcher die Drehzahl der Motorwelle geregelt wird. Die aktuelle Drehzahl (Drehzahl- Istwert) der Motorwelle wird der Drehzahlregelung von dem Drehzahlmesser und/oder dem Lage-Sensor geliefert.
Die Umrichtersteuerung umfasst vorzugsweise wenigstens eine Temperaturüberwachung, mittels welcher die Temperatur des Elektromotors überwacht wird. Bevorzugt ist somit die
Umrichtersteuerung mit wenigstens einem an dem Elektromotor vorgesehenen Temperatursensor elektrisch gekoppelt, mittels welchem die Motortemperatur gemessen wird. Die aktuelle Motortemperatur (Temperatur-Istwert) wird der
Temperaturüberwachung von dem Temperatursensor geliefert.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit dem Umrichter und/oder der Umrichtersteuerung gekoppelte und vorzugsweise im Abstand zu der baulichen Einheit angeordnete Steuereinrichtung vorgesehen, mittels welcher der Umrichter und/oder die Umrichtersteuerung gesteuert wird. Die
Steuereinrichtung ist z.B. Teil eines übergeordneten
Blattwinkelverstellsystems und/oder einer übergeordneten Windkraftanlagensteuerung. Unter einem
Blattwinkelverstellsystem ist hierbei bevorzugt ein System zu verstehen, welches mehrere Blattwinkelverstellantriebe umfasst, mittels welchen mehrere Rotorblätter um ihre
Blattachsen drehbar sind. Dazu ist jeder der
Blattwinkelverstellantriebe bevorzugt mit dem jeweiligen Rotorblatt mechanisch gekoppelt. Die
Blattwinkelverstellantriebe sind insbesondere durch erfindungsgemäße Blattwinkelverstellantriebe gebildet und vorzugsweise gleichartig aufgebaut.
Die bauliche Einheit ist insbesondere an oder in einem das Rotorblatt umfassenden Rotor der Windkraftanlage befestigt, der bevorzugt durch Wind um eine Rotorachse gedreht wird. Vorzugsweise sitzt die bauliche Einheit an oder in einer Rotornabe des Rotors, an welcher das Rotorblatt um die
Blattachse drehbar gelagert ist, die bevorzugt quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse verläuft.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Umrichter in oder an den Elektromotor integriert. Insbesondere bilden der Elektromotor und der Umrichter eine Einheit. Die Integration des Umrichters erfolgt somit durch Einbau in den Elektromotor oder durch Anbau an den Elektromotor. Der erforderliche
Einbauraum für den Umrichter wird z.B. durch Vergrößerung des Motorvolumens, durch Verlängerung des Motors in Achsrichtung oder Anbau eines Umrichtergehäuses an den Elektromotor in Achsrichtung oder durch einen Anbau des Umrichtergehäuses an den Elektromotor in radialer Richtung realisiert. Bevorzugt erfolgt die Umrichterkühlung durch Nutzung der vorhandenen Motorkühlung des Elektromotors, indem der Kühlluftstrom insbesondere zuerst durch oder über entsprechend gestaltete Kühlrippen des Umrichters und anschließend durch oder über die Kühlrippen des Elektromotors geführt wird. Die
Luftführung ist dabei insbesondere derart auszugestalten, dass eine optimale Kühlwirkung erzielt wird. Der Lüfter ist bevorzugt als Fremdlüfter ausgebildet. Je nach erforderlichem Drehzahlregelbereich des Elektromotors kann der Lüfter aber auch als Eigenlüfter ausgebildet sein, insbesondere in Form von auf der Motorwelle angeordneten Lüfterflügeln (Lüfterschaufeln) . Durch die Nutzung der vorhandenen
Motorkühlung können Bauraum und Kosten gespart werden. Der erfindungsgemäße Antrieb wird insbesondere in
Windkraftanlagen eingesetzt, vorzugsweise als
Blattwinkelverstellantrieb mit Gleichstrommotor
(Reihenschlussmaschine, Nebenschlussmaschine oder
Doppelschlussmaschine) , mit Drehstrommaschine
(Asynchronmaschine oder Synchronmaschine) oder mit elektrisch kommutierter Gleichstrommaschine .
Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile:
- Die Störbeeinflussung von Istwertsignalen kann erheblich reduziert/verhindert werden, sodass eine höhere
Funktionssicherheit des Blattwinkelverstellsystems erreicht wird .
- Blitzschutzmaßnahmen können reduziert werden.
- Die Achsschränke in der Rotornabe können kleiner ausgeführt werden oder ganz entfallen, sodass der erforderliche
Einbauraum in der Rotornabe verkleinert wird.
- Die Verkabelung kann wesentlich vereinfacht werden.
- Es ist eine Reduzierung des Inbetriebnahmeaufwands möglich.
- Die Herstellungskosten des Blattwinkelverstellsystems können reduziert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit einem durch Wind um eine Rotorachse drehbaren, eine Rotornabe und mehrere an dieser gelagerte Rotorblätter umfassenden Rotor, die sich jeweils in Richtung einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Blattachse von der Rotornabe wegerstrecken, und zumindest einem Blattwinkelverstellantrieb, der wenigstens einen ein
Motorgehäuse aufweisenden Elektromotor umfasst, der
elektrisch mit einem Umrichter und mechanisch mit einem der Rotorblätter gekoppelt ist, welches mittels des Elektromotors um seine Blattachse drehbar ist oder gedreht wird, der mittels des Umrichters gesteuert und/oder geregelt wird, wobei der Elektromotor und der Umrichter zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind. Der Blattwinkelverstellantrieb ist insbesondere ein erfindungsgemäßer
Blattwinkelverstellantrieb und kann gemäß allen in diesem Zusammenhang erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen
BlattwinkelverStellantrieben,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines der
Blattwinkelverstellantriebe gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den
Blattwinkelverstellantrieb nach Fig. 2,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den
Blattwinkelverstellantrieb nach Fig. 2, wobei dieser gegenüber Fig. 3 um 90° um die Motorachse gedreht ist, Fig. 5 ein schematisches Schaltbild des
Blattwinkelverstellantriebs nach Fig. 2,
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines
Blattwinkelverstellantriebs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines
Blattwinkelverstellantriebs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines
Blattwinkelverstellantriebs gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Aus Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 1 ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 2 aufstehender Turm 3 an seinem dem
Fundament 2 abgewandten Ende mit einem Maschinenhaus 4 verbunden ist. Das Maschinenhaus 4 umfasst einen
Maschinenträger 5, an dem ein Rotor 6 um eine Rotorachse 7 drehbar gelagert ist, der eine Rotornabe 8 und damit
verbundene Rotorblätter 9 und 10 aufweist, die jeweils um ihre Blattachse 11 bzw. 12 relativ zur Rotornabe 8 drehbar sind. Jedes der Rotorblätter 9 und 10 ist mit einem
Blattwinkelverstellantrieb 13 bzw. 14 mechanisch gekoppelt, mittels welchem das jeweilige Rotorblatt um die zugehörige Blattachse drehbar ist. Der Rotor 6 ist mechanisch mit einem elektrischen Generator 16 gekoppelt, der in dem Maschinenhaus 4 angeordnet und an dem Maschinenträger 5 befestigt ist. Der Rotor 6 wird durch Wind 15 um seine Rotorachse 7 gedreht, wobei die Rotationsenergie des Rotors 6 zu einem großen Teil mittels des Generators 16 in elektrische Energie umgewandelt wird. Für den kontrollierten Betrieb der Windkraftanlage 1 ist eine Windkraftanlagensteuerung 17 vorgesehen, mittels welcher unter anderem die Blattwinkelverstellantriebe 13 und 14 gesteuert werden.
Der Blattwinkelverstellantrieb 13 ist in Fig. 2 in
perspektivischer Ansicht darstellt und umfasst einen
Elektromotor 18 mit einem Motorgehäuse 19, an welchem ein Lüftergehäuse 20 befestigt ist. An dem Lüftergehäuse 20 ist ein Umrichtergehäuse 21 befestigt, sodass das Lüftergehäuse 20 in axialer Richtung 22 zwischen dem Motorgehäuse 19 und dem Umrichtergehäuse 21 angeordnet ist. Der Elektromotor 18 umfasst eine Motorwelle 23, die relativ zu dem Motorgehäuse 19 um eine Motorachse 24 drehbar ist, die in axialer Richtung 22 verläuft. Die Motorwelle 23 ist mechanisch mit dem
Rotorblatt 9 gekoppelt, wohingegen das Motorgehäuse 19 mittels eines Befestigungsflanschs 25 an der Rotornabe 8 befestigt ist. In dem Umrichtergehäuse 21 ist ein Umrichter 26 (siehe Fig. 5) angeordnet, sodass der Elektromotor 18 und der Umrichter 26 zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind. Das Motorgehäuse 19 umfasst mehrere Kühlrippen 27 zur Kühlung des Elektromotors 18.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den
Blattwinkelverstellantrieb 13, sodass ein in dem
Lüftergehäuse 20 angeordneter Lüfter 28 ersichtlich ist, der mittels der Motorwelle 23 angetrieben wird. Der Lüfter 28 erzeugt einen Kühlluftstrom 29, der von außen in das
Umrichtergehäuse 21 eintritt und dieses durchströmt. Dabei strömt der Kühlluftstrom 29 entlang von in dem
Umrichtergehäuse 21 angeordneten Kühlrippen 31 des Umrichters 26, sodass dieser gekühlt wird. Danach tritt der
Kühlluftstrom 29 durch eine strömungsleitende Verbindung 70 zwischen dem Umrichtergehäuse 21 und dem Lüftergehäuse 20 in das Lüftergehäuse 20 ein, welches bezüglich des
Kühlluftstroms 29 mit dem Umrichtergehäuse strömungsleitend verbunden ist. In dem Lüftgerhäuse 20 wird der Kühlluftstrom 29 mittels einer Strömungsleitwand 30 radial nach außen geführt, tritt im Bereich der Kühlrippen 27 aus dem
Lüftergehäuse 20 aus und strömt außerhalb des Motorgehäuses 19 in axialer Richtung 22 entlang der Kühlrippen 27 des
Elektromotors 18, sodass dieser gekühlt wird. Somit kühlt der Kühlluftstrom 29 sowohl den Umrichter 26 als auch den
Elektromotor 18. Unter radialer Richtung ist hierbei eine Richtung quer zur axialen Richtung 22 zu verstehen.
Zum Eintritt des Kühlluftstroms 29 in das Umrichtergehäuse 21 sind in diesem eine oder mehrere Öffnungen 32 vorgesehen, und zum Austritt des Kühlluftstroms 29 aus dem Lüftergehäuse 20 sind in diesem eine oder mehrere Öffnungen 33 vorgesehen. Da der Lüfter 28 von der Motorwelle 23 angetrieben wird, ist die Richtung des Kühlluftstroms 29 abhängig vom Drehsinn der Motorwelle 23. Gemäß Fig. 3 dreht die Motorwelle 23 in
Richtung des Pfeils 60 um die Motorachse 24, sodass durch eine Umkehr des Drehsinns der Motorwelle 23 eine Umkehr des Kühlluftstroms 29 herbeigeführt werden kann.
Das Motorgehäuse 19 umfasst zwei Lagerschilde 53 und 54, mittels welchen das Motorgehäuse 19 in axialer Richtung beidseitig verschlossen ist, wobei die Motorwelle 23 in den Lagerschilden 53 und 54 um die Motorachse 24 drehbar gelagert ist. Gemäß dieser Ausführungsform bildet das Lagerschild 54 gleichzeitig die Strömungsleitwand 30.
Der Lüfter 28 umfasst ein Lüfterrad 34 mit Lüfterschaufeln 35, wobei das Lüfterrad 34 drehstarr mit der Motorwelle 23 verbunden ist. Das Lüfterrad 34 umfasst ferner eine
Strömungsleitwand 36, die ebenfalls zur Führung des
Kühlluftstroms 29 in radialer Richtung dient.
Der Elektromotor 18 weist einen starr mit dem Motorgehäuse 19 verbundenen Stator 37 sowie einen relativ zu diesem um die Motorachse 24 drehbaren und die Motorwelle 23 umfassenden Läufer 38. Der Stator 37 und der Läufer 38 tragen jeweils lediglich schematisch darstellte Wicklungen 39 bzw. 40.
Aus Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch den
Blattwinkelverstellantrieb 13 ersichtlich, der gegenüber der Darstellung aus Fig. 3 um die Motorachse um 90° gedreht ist. Auf der aus dem Motorgehäuse 19, dem Lüftergehäuse 20 und dem Umrichtergehäuse 21 gebildeten Gehäuseanordnung sitzt ein an dieser befestigtes Steuerungsgehäuse 55, in dem eine mit dem Umrichter 26 elektrisch verbundene Umrichtersteuerung 46 angeordnet und befestigt ist, mittels welcher der Umrichter 26 gesteuert wird.
Aus Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild des Umrichters 26 ersichtlich, der eine Eingangsstufe 41 und eine
Transistorausgangsstufe 42 aufweist, die über einen einen Kondensator 56 umfassenden Gleichstromzwischenkreis 43 elektrisch mit der Eingangsstufe 41 verbunden ist. Mittels einer Wechselstromquelle 44 wird der Eingangsstufe 41 ein mehrphasiger Wechselstrom zugeführt, der von der als
Gleichrichter arbeitenden Eingangsstufe 41 gleichgerichtet und als Gleichstrom an den Gleichstromzwischenkreis 43 abgegeben wird. Die durch den Gleichstromzwischenkreis 43 gespeiste Ausgangsstufe 42 umfasst Transistoren 45, die von der Umrichtersteuerung 46 gesteuert werden, sodass mittels der gesteuerten Transistoren 45 dem Elektromotor 18 ein elektrischer Betriebsstrom 47 zur Verfügung gestellt wird.
Die Umrichtersteuerung 46 umfasst eine Drehzahlregelung 49, eine Positionsregelung 57 und eine Temperaturüberwachung 50, wobei die Drehzahlregelung 49 mit einem Drehzahlmesser 51, die Positionsregelung 57 mit einem Lage-Sensor 58, z.B. in Form eines absoluten Winkelkodierers , und die
Temperaturüberwachung 50 mit einem Temperatursensor 52 elektrisch verbunden ist. Der Drehzahlmesser 51, der Lage- Sensor 58 und der Temperatursensor 52 sind am Motor 18 angeordnet, wobei der Drehzahlmesser 51 die Drehzahl der Motorwelle 23 misst, der Lage-Sensor 58 die Winkelposition der Motorwelle 23 misst und der Temperatursensor 52 die
Temperatur des Elektromotors 18 misst. Die gemessenen Größen werden der jeweiligen Regelung oder Überwachung als Istwerte zur Verfügung gestellt. Ferner ist es möglich, mittels des Lage-Sensors 58 zusätzlich zu der Winkelposition auch die Drehzahl zu erfassen. In diesem Fall kann der Drehzahlmesser entfallen .
Die Umrichtersteuerung 46 ist ferner mit einer externen
Steuereinrichtung 48 elektrisch verbunden, mittels welcher die Umrichtersteuerung 46 gesteuert wird. Beispielsweise kann der Regelung 57 mittels der Steuereinrichtung 48 ein Sollwert zugeführt werden. Die externe Steuereinrichtung 48 ist bevorzugt durch die Windkraftanlagensteuerung 17 gebildet.
Aus Fig. 6 ist in schematischer Darstellung ein
Blattwinkelverstellantrieb 13 gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist das Lüfterrad nicht mit der Motorwelle 23 verbunden, sondern wird durch einen separaten elektrischen Lüftermotor 59 angetrieben, der in dem Lüftergehäuse 20 angeordnet und befestigt ist. Ferner ist die Umrichtersteuerung 46 in dem Umrichtergehäuse 21 angeordnet, sodass kein separates
Steuerungsgehäuse für die Umrichtersteuerung 46 erforderlich ist. Abgesehen von diesen Unterschieden ist die zweite
Ausführungsform gleichartig zur ersten Ausführungsform aufgebaut, sodass zur weiteren Beschreibung der zweiten
Ausführungsform auf die Beschreibung der ersten
Ausführungsform verwiesen wird.
Aus Fig. 7 ist in schematischer Darstellung ein
Blattwinkelverstellantrieb 13 gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der Motor 18 mit seinen Kühlrippen 27 in einem durch das Lüftergehäuse 20 gebildeten und sich in axialer Richtung 22 erstreckenden Rohr 61 angeordnet, aus welchem sich der Motor 18 in axialer Richtung heraus erstreckt. Ferner ist das
Umrichtergehäuse 21 auf das Motorgehäuse 19 aufgesetzt und mit diesem unter Zwischenschaltung eines Kühlkörpers 62 verbunden, der dem Umrichter 26 zugerechnet wird und
vorzugsweise mit dem Motorgehäuse 19 oder mit dem
Umrichtergehäuse 21 eine Materialeinheit bildet. Das
Umrichtergehäuse 21 ist somit unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers 62 an einer Mantelfläche 64 des Motorgehäuses 19 befestigt. Der Lüfter 28 ist an einer Stirnseite des
Motorgehäuses 19 angeordnet und wird von der Motorwelle 23 angetrieben, wobei in dem Lüftergehäuse 20 eine Aussparung 63 vorgesehen ist, durch welche sich der Kühlkörper 62 hindurch erstreckt. Ferner ist in dem Lüftergehäuse 20 stirnseitig eine Öffnung 65 vorgesehen, durch welche hindurch der
Kühlluftstrom 29 aus der Umgebung in das Lüftergehäuse 20 eintreten kann. Da der Lüfter 28 von der Motorwelle 23 angetrieben wird, kehrt sich der Kühlluftstrom 29 durch eine Umkehr des Drehsinns der Motorwelle 23 um.
Dadurch, dass die Kühlrippen 27 des Motors 18 in dem
rohrförmigen Lüftergehäuse 20 angeordnet sind, wird der
Kühlluftstrom 29 in axialer Richtung 22 entlang der
Kühlrippen 27 zwangsgeführt und kann nicht in radialer
Richtung ausweichen. Ferner wird der am Motorgehäuse 19 sitzende Kühlkörper 62 durch den Kühlluftstrom 29 gekühlt, sodass eine gleichzeitige Kühlung des Umrichters 26 und/oder Umrichtergehäuses 21 sowie des Motors 18 und/oder
Motorgehäuses 19 durch den Kühlluftstrom 29 erfolgt. An seiner dem Motor 18 abgewandten Seite sind an dem
Umrichtergehäuse 21 Kühlrippen 66 vorgesehen, die zusätzlich zur Kühlung des Umrichters 26 beitragen. Ferner ist die
Umrichtersteuerung 46 in dem Umrichtergehäuse 21 angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der dritten Ausführungsform, kann ein zweites Umrichtergehäuse mit einem zweiten Umrichter unter Zwischenschaltung eines zweiten Kühlkörpers mit dem Motorgehäuse 19 verbunden sein, sodass der Umrichter
redundant vorgesehen ist. Die Redundanz bietet insbesondere dann einen Vorteil, wenn einer der Umrichter defekt ist und nicht sofort ausgetauscht werden kann. Bevorzugt sind die beiden Umrichtergehäuse bezüglich der Motorachse 24 einander diametral gegenüberliegend angeordnet.
Zur weiteren Beschreibung der dritten Ausführungsform wird auf die Beschreibung der vorherigen Ausführungsformen
verwiesen .
Aus Fig. 8 ist in schematischer Darstellung ein
Blattwinkelverstellantrieb 13 gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei zu der ersten Ausführungsform identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der Motor 18 mit seinen Kühlrippen 27 in einem durch das Lüftergehäuse 20 gebildeten und sich in axialer Richtung 22 erstreckenden Rohr 61 angeordnet, aus welchem sich der Motor 18 in axialer Richtung heraus erstreckt. Das Umrichtergehäuse 21 ist an einer Stirnseite des Motors 18 angeordnet,
erstreckt sich in radialer Richtung und ist insbesondere am Lagerschild 54 des Motorgehäuses 19 befestigt. Das
Lüftergehäuse 20 umfasst ein sich in radialer Richtung erstreckendes und in das Rohr 61 einmündendes Rohr 67, in welchem der Lüfter 28 angeordnet ist, der einen separaten Lüftermotor 59 aufweist, mittels welchem das Lüfterrad 34 um eine Lüfterachse 68 gedreht wird, die quer zur axialen
Richtung 22 verläuft. Der Lüfter 28 ist somit quer zum
Motorgehäuse 19 angeordnet. In dem Lüftergehäuse 20 ist eine Aussparung 63 vorgesehen, durch welche sich ein insbesondere mit Kühlrippen 31 versehener Kühlkörper 62 des Umrichters 26 hindurch und in das Rohr 67 hinein erstreckt. Ferner ist in dem Rohr 67 stirnseitig eine Öffnung 65 vorgesehen, durch welche hindurch der Kühlluftstrom 29 aus der Umgebung in das Lüftergehäuse 20 eintreten kann. In dem Lüftergehäuse 20 ist ein Umlenkelement 69 angeordnet, mittels welchen der das Motorgehäuse 19 insbesondere radial anströmende Kühlluftstrom 29 in die axiale Richtung 22 umgelenkt wird. Das
Umlenkelement 69 bildet hier zwar einen Teil des
Umrichtergehäuses 21, alternativ kann das Umlenkelement 69 aber auch an dem Motorgehäuse 19 oder an dem Lüftergehäuse 20 vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, zusätzliche
Umlenkelemente vorzusehen.
Dadurch, dass die Kühlrippen 27 des Motors 18 in dem
Lüftergehäuse 20 angeordnet sind, wird der Kühlluftstrom 29 in axialer Richtung 22 entlang der Kühlrippen 27
zwangsgeführt und kann nicht in radialer Richtung ausweichen. Ferner wird der Kühlkörper 62 durch den Kühlluftstrom 29 gekühlt. An seiner dem Motor 18 abgewandten Seite sind an dem Umrichtergehäuse 21 Kühlrippen 66 vorgesehen, die zusätzlich zur Kühlung des Umrichters 26 beitragen. Der an der
Motorwelle 23 vorgesehene Drehzahlmesser 51 (und/oder der Lage-Sensor 58) ist in dem Umrichtergehäuse 21 angeordnet. Ferner ist die Umrichtersteuerung 46 m dem Umrichtergeh' 21 vorgesehen.
Die vierte Ausführungsform baut in axialer Richtung relativ kurz. Durch das Anordnen des Drehzahlmesser 51 (und/oder des Lage-Sensors 58) in dem Umrichtergehäuse 21 wird der
Verdrahtungsaufwand reduziert. Kühlelemente für im
Umrichtergehäuse 21 angeordnete elektronische Bauelemente (insbesondere Transitoren) können länger ausgebildet werden, sodass diese besser kühlbar sind. Ferner können diese
Bauelemente und/oder Kühlelemente in einem größeren Abstand zum Motor 18 angeordnet werden.
Zur weiteren Beschreibung der vierten Ausführungsform wird auf die Beschreibung der vorherigen Ausführungsformen verwiesen .
Bezugs zeichenliste
1 Windkraftanlage
2 Fundament
3 Turm
4 Maschinenhaus
5 Maschinenträger
6 Rotor
7 Rotorachse
8 Rotornabe
9 Rotorblatt
10 Rotorblatt
11 Blattachse
12 Blattachse
13 Blattwinkelverstellantrieb
14 Blattwinkelverstellantrieb
15 Wind
16 Generator
17 Windkraftanlagensteuerung
18 Elektromotor
19 Motorgehäuse
20 Lüftergehäuse
21 Umrichtergehäuse
22 axiale Richtung
23 Motorwelle
24 Motorachse
25 Befestigungsflansch
26 Umrichter
27 Kühlrippe des Elektromotors
28 Lüfter
29 Kühlluftstrom Strömungsleitwand
Kühlrippe des Umrichters
Öffnung im Umrichtergehäuse
Öffnung im Lüftergehäuse
Lüfterrad des Lüfters
Lüfterschaufel des Lüfters
Strömungsleitwand
Stator des Elektromtors
Läufer des Elektromotors
Wicklung des Stators
Wicklung des Rotors
Eingangsstufe des Umrichters
Ausgangsstufe des Umrichters
Gleichstromzwischenkreis des Umrichters Wechselstromquelle
Transistoren der Ausgangsstufe
Umrichtersteuerung
Betriebsstrom des Elektromotors
Steuereinrichtung
Drehzahlregelung
Temperaturüberwachung
Drehzahlmesser
Temperatursensor
Lagerschild
Lagerschild
Steuerungsgehäuse
Zwischenkreiskondensator
Positionsregelung
Lage-Sensor / Winkelkodierer
Lüftermotor
Drehsinn der Motorwelle Rohr des Lüftergehäuses
Kühlkörper des Umrichters Aussparung im Lüftergehäuse Mantelfläche des Motorgehäuses Öffnung im Lüftergehäuse
Kühlrippen des Umrichters Rohr des Lüftergehäuses
Lüfterachse
Umlenkelement für Kühlluftstrom strömungsleitende Verbindung

Claims

Patentansprüche
1. Blattwinkelverstellantrieb für eine Windkraftanlage, mit wenigstens einem ein Motorgehäuse (19) aufweisenden
Elektromotor (18), der elektrisch mit einem Umrichter (26) und mechanisch mit einem Rotorblatt (9) gekoppelt ist, welches mittels des Elektromotors (18) um eine Blattachse (11) drehbar ist, wobei der Elektromotor (18) mittels des Umrichters (26) gesteuert oder geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (18) und der Umrichter (26) zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind.
2. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umrichter (26) in dem Motorgehäuse (19) angeordnet ist.
3. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umrichter (26) in einem an dem Motorgehäuse (19) befestigten Umrichtergehäuse (21) angeordnet ist, welches einen Teil der baulichen Einheit bildet.
4. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Umrichtergehäuse (21) auf das Motorgehäuse (19)
aufgesetzt ist.
5. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umrichtergehäuse (21) quer zur Längsachse des
Motorgehäuses (19) an einer Stirnseite desselben angeordnet ist .
6. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine den Elektromotor (18) und den Umrichter (26) kühlende Kühlvorrichtung, die einen Teil der baulichen Einheit bildet.
7. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlvorrichtung wenigstens einen Lüfter (28) umfasst, der einen den Elektromotor (18) und den Umrichter (26) kühlenden Kühlluftstrom (29) erzeugt.
8. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (28) derart angetrieben wird, dass der
Kühlluftstrom (29) zunächst den Umrichter (26) und danach den Elektromotor (18) kühlt.
9. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlluftstrom (29) den Umrichter (26) und den
Elektromotor (18) gleichzeitig kühlt.
10. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (18) und der Umrichter (26) jeweils
wenigstens einen dem Kühlluftstrom (29) ausgesetzten
Kühlkörper (27, 31) umfassen.
11. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (28) zwischen dem Elektromotor (18) und dem
Umrichter (26) angeordnet ist.
12. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (28) an oder im Bereich einer Stirnseite des
Elektromotors (18) angeordnet ist.
13. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlvorrichtung ein Lüftergehäuse (20) umfasst, in dem der Lüfter (28) angeordnet ist.
14. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (18) eine an dem Motorgehäuse (19) um eine Motorachse (24) drehbar gelagerte und mit dem Rotorblatt (9) mechanisch gekoppelte Motorwelle (23) umfasst, mittels welcher der Lüfter (28) angetrieben wird.
15. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (28) quer zur Motorachse (24) angeordnet ist.
16. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (28) mittels eines separaten Lüfterantriebs (59) angetrieben wird.
17. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine mit dem Umrichter (26) elektrisch gekoppelte
Umrichtersteuerung (46), mittels welcher der Umrichter (26) gesteuert wird, wobei die Umrichtersteuerung (46) einen Teil der baulichen Einheit bildet.
18. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 17,
gekennzeichnet durch
eine mit der Umrichtersteuerung (46) gekoppelte und im
Abstand zu der baulichen Einheit angeordnete
Steuereinrichtung (48), mittels welcher die
Umrichtersteuerung (46) gesteuert wird.
19. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtersteuerung (46) in dem Umrichtergehäuse (21) oder in einem mit dem Motorgehäuse (19) fest verbundenen
Steuerungsgehäuse (55) angeordnet ist, welches einen Teil der baulichen Einheit bildet.
20. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umrichtersteuerung (46) wenigstens eine Regelung (49) umfasst, mittels welcher eine Betriebsgröße des Elektromotors
(18) geregelt wird, wobei die Umrichtersteuerung (46) mit wenigstens einem an dem Elektromotor (18) vorgesehenen Sensor
(51) elektrisch gekoppelt ist, mittels welchem die wenigstens eine Betriebsgröße gemessen wird.
21. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umrichter (26) eine elektrisch gleichrichtende
Eingangsstufe (41) und eine dieser nachgeschaltete
Transistorausgangsstufe (42) umfasst, die ausgangsseitig mit dem Elektromotor (18) elektrisch gekoppelt ist.
22. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eingangsstufe (41) mit der Transistorausgangsstufe (42) über einen wenigstens einen Kondensator (56) umfassenden Gleichstromzwischenkreis (43) elektrisch gekoppelt ist.
23. Blattwinkelverstellantrieb nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe (41) eingangsseitig mit einer Wechselstromquelle (44) elektrisch gekoppelt ist.
24. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (28) als Gleichstrommaschine oder als
Drehstrommaschine ausgebildet ist.
25. Blattwinkelverstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bauliche Einheit an oder in einem das Rotorblatt (9) umfassenden Rotor (6) der Windkraftanlage (1) befestigt ist.
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