WO2019201989A1 - Generator einer windenergieanlage und windenergieanlage mit selbigem - Google Patents

Generator einer windenergieanlage und windenergieanlage mit selbigem Download PDF

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WO2019201989A1
WO2019201989A1 PCT/EP2019/059915 EP2019059915W WO2019201989A1 WO 2019201989 A1 WO2019201989 A1 WO 2019201989A1 EP 2019059915 W EP2019059915 W EP 2019059915W WO 2019201989 A1 WO2019201989 A1 WO 2019201989A1
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air gap
longitudinal axis
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Oliver Oberinger
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a generator for a wind turbine, with a rotatably mounted generator rotor having an axis of rotation and a generator stator with a stator longitudinal axis, wherein between the generator rotor and generator stator, an air gap is formed. Furthermore, the invention relates to a wind turbine with selbigem.
  • Wind turbines are well known. They are used to convert wind energy into electrical energy by means of an electric generator. Core element for this task is in wind turbines generator.
  • wind turbines have been established, in which a multi-stage transmission is coupled to the generator, wherein the multi-stage transmission converts a translation of the recorded by the rotor blades drive movement in a higher speed.
  • These gearboxes show increased susceptibility to faults and defects in high load situations.
  • Wind turbines with geared drive train usually have an asynchronous generator, which requires high speeds due to the principle.
  • gearless wind turbines have been established in the prior art, in particular by the applicant, which use a slow-rotating multi-pole synchronous generator. Gearless systems are typically supported directly within the hub on a fixed journal, which dissipates external loads into the tower via the journal and machine carrier.
  • Generators for wind turbines of the type described above have a generator stator and a generator rotor rotating relative thereto, also referred to as "rotor".
  • the invention relates to both wind turbines and generators with internal rotors and external rotors, by which it is understood that in an inner rotor of the generator rotor rotates inside in an annular stator, while in an external rotor of the generator rotor rotates externally around the stator.
  • the generator rotor has a plurality of pole shoes on a so-called rotor belt. The pole shoes run relative to the stator windings or poles of the generator stator. Between the pole pieces and the poles of the generator stator, an air gap is formed. Via a excitation field in the generator, a voltage is induced in the generator stator. The yield of electrical energy increases with reduced air gap between generator rotor and generator stator.
  • the generator stator is usually connected by means of a support structure to the machine carrier of the wind energy plant.
  • the generator rotor is rotatably mounted on a stationary receptacle, preferably a journal. If the axle journal experiences bending as a result of external loads or due to material fatigue or relaxation effects, the generator rotor tilts relative to the generator stator around the generator center point. Due to this inclination, the air gap between the poles of the stator and the pole shoes of the rotor changes, so that it can lead to a functional impairment.
  • To avoid a change in the air gap of the journal and the machine frame or other support structures are designed very rigid, whereby the weight increases and the transport and assembly are difficult.
  • the invention was in particular the object of providing a generator, which has a predefined slope of the Generator rotor relative to the generator stator allows, without the function of the generator is impaired.
  • the invention solves the underlying problem by proposing a generator with the features of claim 1.
  • the invention proposes that the air gap has a varying diameter along the stator longitudinal axis, which is described by a non-linear function as a function of the stator longitudinal axis. Due to the non-linearity of the air gap diameter, this can be adjusted specifically to predefined, usually occurring during operation bends of the stationary receptacle and the axle journal. Consequently, there is in a bend of the journal and the associated inclination of the generator rotor relative to the generator stator to no significant change in the air gap and thus no functional impairment.
  • the stator longitudinal axis is substantially coaxial with the rotor longitudinal axis and is inclined by external forces relative to the stator longitudinal axis as a result of bending of the generator rotor, the rotor longitudinal axis being inclined by a point which lies in the center of the generator and thus forms the generator center point.
  • the invention is advantageously further developed in that the air gap diameter has exactly one maximum, which is not at the edge of the generator, based on the direction of the generator longitudinal axis.
  • the surface between the rotor and stator is increased, and further the inclination of the rotor relative to the generator stator does not lead to a functionally impairing reduction of the air gap, but at the same time the air gap of the generator is not oversized in non-critical areas.
  • the generator is an internal-rotor generator, the generator stator being circumferentially concave and the generator rotor being convex on the circumference.
  • an embodiment of the generator rotor and generator stator is proposed, which allows the formation of a curved air gap, an inclination of the generator rotor relative to the generator stator without the air gap is reduced so that the generator rotor and generator stator touch and it to a functional impairment leads.
  • the generator is an external rotor generator, wherein the generator stator is circumferentially convex and the generator rotor is circumferentially concave.
  • an embodiment of the generator rotor and generator stator is proposed, which allows by the formation of a curved air gap, a slope of the generator rotor relative to the generator stator and makes use of the advantages described above.
  • the generator stator and the generator rotor are spherically shaped circumferentially with respect to a point which on the
  • Stator longitudinal axis and thus form a circumferentially spherically curved air gap around the axis of rotation of the generator without the action of external loads on the stationary recording from.
  • the air gap thus preferably has a constant width between generator rotor and generator stator.
  • Generator stator and the generator rotor circumferentially spherically based on the instantaneous pole of the generator rotor shaped.
  • substantially constant a region in which the air gap diameter indeed changes, but the change is 50% or less.
  • the instantaneous pole of the generator in particular of the generator rotor, denotes the point about which the generator rotor or the generator rotor and the rotation assembly coupled to it rotate.
  • the position of the instantaneous pole depends on the structural design and the bearing of the rotary assembly and its supporting structure.
  • the journal is so stiff that the position of the instantaneous pole of the generator or of the generator and the rotational assembly coupled to it lies substantially on the longitudinal axis of the stator both in idling mode and under operating load and in spinning mode. Consequently, under these load conditions, the bends of the journal are so small that they can be neglected and the inclination described above represents a mere entanglement.
  • the generator rotor has a plurality of pole shoes and the generator stator a plurality of corresponding poles, wherein the pole pieces and the poles are circumferentially formed spherically curved around the instantaneous pole of the generator rotor.
  • the distance between the poles and pole shoes has a significant influence on the yield of the electrical energy of the generator. Due to the spherical design, the air gap remains substantially constant even with an inclination of the generator rotor relative to the generator stator and thus of the pole shoes relative to the poles.
  • the generator rotor has a center plane and a generator center, wherein the stator longitudinal axis is orthogonal to the center plane and the generator center is located on the center plane, wherein the poles and the pole shoes are formed symmetrically to the center plane.
  • the poles and the pole pieces are formed corresponding to the position of the instantaneous pole asymmetrically to the center plane.
  • the position of the instantaneous pole does not correspond to the center of the generator.
  • the poles and pole shoes are formed asymmetrically with respect to the center plane in order to be able to correspond to the position of the instantaneous pole and furthermore advantageously to allow the generator rotor to tilt relative to the generator stator without the air gap diameter changing.
  • the generator stator has a stator depth along the stator longitudinal axis, and the air gap diameter varies along the stator longitudinal axis by less than the stator depth, in particular less than one fifth of the stator depth.
  • the air gap diameter of the generator is varied to an extent which, on the one hand, is functional but, on the other hand, does not require over-dimensioning of the generator and thus of the nacelle or other receiving means for a generator.
  • the corresponding design of the generator thus represents a good compromise between a compact design and the required reliability.
  • stator depth is less than 2 m and the air gap diameter greater than 3 m, in particular greater than 4.5 m.
  • the generator is a ring generator whose air gap diameter is large in proportion to the depth, whereby more poles and pole pieces are provided and the yield of electrical power is increased.
  • a wind turbine with a machine carrier and a journal connected to the machine carrier and a rotatable assembly rotatably mounted on the journal with a generator of the type described above operatively connected to the rotatable assembly.
  • the stationary receiving of the generator here the journals and the machine frame, undergoes loads, which lead to a bend in idle operation and spinning operation and under load, the bends of the journal are so small that they can be neglected and the inclination represents a pure entanglement.
  • the invention preferably relates to a wind energy plant which has a synchronous generator and more preferably a synchronous ring generator.
  • the wind energy installation according to the invention particularly preferably has a multi-pole synchronous ring generator.
  • Such a multi-pole synchronous ring generator of a gearless wind turbine has a plurality of stator poles, in particular at least 48 stator teeth, often even significantly more stator teeth, in particular 96 stator teeth or even more stator teeth.
  • Wind energy plants with synchronous ring generator further preferably have a large average air gap diameter, wherein the arithmetic mean of the air gap diameter over the generator depth is in particular greater than 3 m, and in particular greater than 4.5 m.
  • the wind turbine preferably has a magnetically active region of the generator, namely both the rotor and the stator, which is arranged in an annular region around the axis of rotation of the synchronous generator.
  • a support structure may be present in the inner region, but in some embodiments it may be formed axially offset.
  • the generator is preferably foreign-excited.
  • the generator is a slowly rotating generator. This is understood to mean a generator with a speed of 100 revolutions per minute or less, preferably 50 revolutions per minute or less, more preferably in a range of 5 to 35 revolutions per minute.
  • FIG. 1 shows a wind energy plant schematically in a perspective view
  • FIG. 2 a nacelle of the wind energy plant according to FIG. 1, schematically in a partially sectioned view,
  • 3a shows a schematic diagram of a generator for the wind turbine according to the
  • FIGS. 1 and 2 in a first preferred embodiment
  • Figure 3b a schematic diagram of a generator for the wind turbine according to the
  • FIG. 4a shows a schematic representation of a generator for the wind energy plant according to FIGS. 1 and 2 in a first preferred embodiment
  • FIG. 4b shows a schematic representation of a generator for the wind energy plant according to FIGS. 1 and 2 in a first preferred embodiment in the inclined state
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a generator for the wind energy plant according to FIGS. 1 and 2 in a second preferred embodiment
  • FIG. 5b shows a schematic illustration of a generator for the wind energy plant according to FIGS. 1 and 2 in a second preferred embodiment in the inclined state
  • FIG. 1 shows a wind energy plant 100 with a tower 102 and a nacelle 104.
  • a rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is arranged on the nacelle 104.
  • the rotor 106 is set in motion by the wind in a rotational movement and thereby drives a generator 1 ( Figure 2) in the nacelle 104 at.
  • the nacelle 104 is shown in Figure 2 in a sectional view.
  • a machine carrier 116 is arranged in a well-known manner, which carries a journal 114.
  • the rotor hub 111 is mounted on the axle journal 114 and connected to the rotor blades 108.
  • the rotor hub 111 is operatively connected to the generator 1.
  • the generator 1 has a generator stator 14, which is fastened by means of a stator support structure 24 to the machine carrier 116 in the nacelle 104.
  • the generator rotor 12 is mounted on the axle journal 114 by means of a rotor support structure 22 and is operatively connected to the rotor hub 111.
  • FIG. 1 For example, to provide the generator as an external rotor, wherein the generator stator is arranged by a support structure on the journal and connected to the machine frame and the generator rotor operatively connected to the rotor hub externally rotates about the generator stator.
  • the generator rotor 12 has a plurality of pole shoes 16 in a rotor belt along its circumference.
  • the generator stator 14 also has a plurality of corresponding poles 18.
  • the poles 18 of the generator stator 14 are concave and the pole pieces 16 of the generator rotor 12 convexly curved. In particular, they are curved spherically around the center of the generator 1, which lies on the stator longitudinal axis 30.
  • FIGS. 3 a and 3 b show schematic diagrams of the generator 12 rotatably mounted on the axle journal 114.
  • the rotor blades 108 are rotatably supported in a known manner on the axle journal 114. If the journal 114 experiences a bending load, with the bends of the journal 114 being so small that they can be neglected and the inclination being a pure entanglement about the generator center 34, the instantaneous pole 32 remains in the generator center 34 and the thickness of the air gap on the generator 12 remains essentially constant.
  • FIGS. 4a and 4b show a section of the generator 1 for a wind turbine 100 according to FIGS. 1 and 2.
  • the generator rotor 12 is mounted by means of a support structure 22 on the axle journal 114 and connected to the rotor hub 111.
  • the generator stator 14 is connected to the machine carrier 116 of the wind turbine 100 by means of a support structure 24.
  • the instantaneous pole 32 of the generator rotor 12 and the rotation assembly coupled to the generator rotor 12 are at the center of the generator 1.
  • the poles 18 of the Generator stator 14 are curved as well as the pole pieces 16 of the generator rotor 12 to the instantaneous.
  • the generator 1 has a center plane 34 on which the generator center point lies and to which the stator longitudinal axis extends orthogonally.
  • the poles 18 and the pole pieces 16 are formed symmetrically to the center plane 34.
  • the poles 18 of the generator stator 14 and the pole pieces 16 of the generator rotor 12 form an air gap of constant width. As FIG. 3b shows, this air gap remains constant when the generator rotor 12 inclines relative to the generator stator 14 about the center of the generator.
  • FIGS. 5a and 5b show an alternative embodiment of a generator according to the invention.
  • the instantaneous pole is arranged at a distance from the generator center point on the stator longitudinal axis 30.
  • the poles 18 of the generator stator 14 as well as the pole pieces 16 of the generator rotor 12 corresponding to the instantaneous pole 32 are formed asymmetrically with respect to the center plane 34.
  • the generator 1 has a center plane 34 on which the generator center point lies and to which the stator longitudinal axis 30 extends orthogonally.
  • poles 18 and pole shoes 16 are corresponding to the instantaneous pole 32, which is here on the stator longitudinal axis 30 is formed.
  • the air gap remains constant at an inclination of the generator rotor 12 relative to the generator stator 14 about the center of the generator 1. Due to the asymmetrical formation of the poles 18 and pole pieces 16, an inclination of the generator rotor 12 relative to the generator stator 14 around the center of the generator 1 is possible, although the instantaneous pole 32 and thus the pivot point of the rotary assembly is not at this point.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator (1) für eine Windenergieanlage (100), mit einem drehbar gelagerten Generatorrotor (12) mit einer Rotorlängsachse, und einem Generatorstator (14) mit einer Statorlängsachse, wobei zwischen Generatorrotor (12) und Generatorstator (14) ein Luftspalt ausgebildet ist. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe dadurch, dass der Luftspalt einen variierenden Durchmesser entlang der Statorlängsachse (30) aufweist, welcher durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse (30) beschrieben wird. Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe in einem zweiten Aspekt durch eine Windenergieanlage (100), mit einem Maschinenträger (116) und einem mit dem Maschinenträger (116) verbundenen Achszapfen (114), und einer drehbar an dem Achszapfen (114) gelagerten Rotationsbaugruppe (22, 111), und einem Generator (1) der vorstehend beschriebenen Art.

Description

Generator einer Windenergieanlage und Windenergieanlage mit selbigem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator für eine Windenergieanlage, mit einem drehbar gelagerten Generatorrotor mit einer Rotationsachse und einem Generatorstator mit einer Statorlängsachse, wobei zwischen Generatorrotor und Generatorstator ein Luftspalt ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit selbigem.
In der prioritätsbegründenden deutschen Anmeldung hat das Deutsche Patent- und Markenamt die folgenden Dokumente recherchiert: DE3508871 A1 ,
DE102012208549 A1 , DE10201321 1683 A1 , DE8224042 U1 , US201 1/0001320 A1 , und US2012/0228965 A1.
Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie werden genutzt, um Windenergie mittels eines elektrischen Generators in elektrische Energie zu wandeln. Kernelement für diese Aufgabe ist in Windenergieanlagen der Generator. Im Stand der Technik haben sich einerseits Windenergieanlagen etabliert, bei denen ein mehrstufiges Getriebe mit dem Generator gekoppelt ist, wobei das mehrstufige Getriebe eine Übersetzung der durch die Rotorblätter aufgenommenen Antriebsbewegung in eine höhere Drehzahl umsetzt. Diese Getriebe zeigen in hohen Belastungssituationen eine erhöhte Anfälligkeit für Störungen und Defekte. Windenergieanlagen mit getriebebehaftetem Antriebsstrang weisen üblicherweise einen Asynchrongenerator auf, der prinzipbedingt hohe Drehzahlen benötigt. Demgegenüber haben sich im Stand der Technik insbesondere von der Anmelderin getriebelose Windenergieanlagen etabliert, die einen langsam drehenden vielpoligen Synchrongenerator einsetzen. Getriebelose Anlagen werden typischerweise direkt innerhalb der Nabe auf einem feststehenden Achszapfen gelagert, wodurch äußere Belastungen über den Achszapfen und den Maschinenträger in den Turm abgeleitet werden.
Langsam drehende, vielpolige Synchrongeneratoren sind wartungsfreundlich und zuverlässig, erfordern aber prinzipbedingt große Generatordurchmesser, um aufgrund der geringeren Drehzahlen dennoch ausreichend elektrische Energie zu erzeugen.
Generatoren für Windenergieanlagen der vorbezeichneten Art weisen einen Generatorstator und einen relativ dazu umlaufenden Generatorrotor auf, auch als„Läufer“ bezeichnet. Die Erfindung betrifft sowohl Windenergieanlagen und Generatoren mit Innenläufern als auch Außenläufern, worunter verstanden wird, dass bei einem Innenläufer der Generatorrotor innen in einem ringförmigen Stator umläuft, während bei einem Außenläufer der Generatorrotor außen um den Stator umläuft. Der Generatorrotor weist eine Vielzahl von Polschuhen an einem sogenannten Rotorgurt auf. Die Polschuhe laufen relativ zu den Statorwicklungen bzw. Polen des Generatorstators um. Zwischen den Polschuhen und den Polen des Generatorstators ist ein Luftspalt ausgebildet. Über ein Erregerfeld im Generator wird im Generatorstator eine Spannung induziert. Die Ausbeute elektrischer Energie steigt mit reduziertem Luftspalt zwischen Generatorrotor und Generatorstator.
In Windenergieanlagen der vorbezeichneten Art ist der Generatorstator zumeist mittels einer Tragstruktur mit dem Maschinenträger der Windenergieanlage verbunden. Der Generatorrotor ist drehbar auf einer stationären Aufnahme, vorzugsweise einem Achszapfen, gelagert. Erfährt der Achszapfen infolge äußerer Belastungen oder bedingt durch Materialermüdung bzw. Relaxationseffekte eine Biegung, neigt sich der Generatorrotor relativ zum Generatorstator um den Generatormittelpunkt. Durch diese Neigung verändert sich der Luftspalt zwischen den Polen des Stators und den Polschuhen des Rotors, sodass es zu einer Funktionsbeeinträchtigung kommen kann. Zur Vermeidung einer Veränderung des Luftspalts werden der Achszapfen und der Maschinenträger bzw. andere Tragstrukturen sehr steif ausgelegt, wodurch das Gewicht steigt und der Transport und die Montage erschwert werden.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Generatoren von Windenergieanlagen der eingangs beschriebenen Art, die im Stand der Technik Vorgefundenen Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden. Der Erfindung lag insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Generator vorzusehen, welcher eine vordefinierte Neigung des Generatorrotors relativ zu dem Generatorstator zulässt, ohne dass die Funktion des Generators beeinträchtigt wird.
Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe, indem sie einen Generator mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass der Luftspalt einen variierenden Durchmesser entlang der Statorlängsachse aufweist, welcher durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse beschrieben wird. Durch die Nichtlinearität des Luftspaltdurchmessers kann dieser gezielt an vordefinierte, üblicherweise im Betrieb auftretende Biegungen der stationären Aufnahme bzw. des Achszapfens angepasst werden. Demzufolge kommt es bei einer Biegung des Achszapfens und der damit einhergehenden Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator zu keiner signifikanten Veränderung des Luftspalts und damit zu keiner Funktionsbeeinträchtigung.
Durch die Beschreibung des Luftspaltdurchmessers durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse kann der Luftspalt gekrümmt, abgerundet, gebogen oder auch in besonders kritischen Bereichen stark vergrößert ausgebildet sein.
Die Statorlängsachse verläuft im Wesentlichen koaxial zur Rotorlängsachse und ist infolge einer Biegung einer stationären Aufnahme des Generatorrotors durch äußere Kräfte relativ zu der Statorlängsachse geneigt, wobei die Rotorlängsachse um einen Punkt geneigt wird, welcher im Zentrum des Generators liegt und somit den Generatormittelpunkt bildet.
Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass der Luftspaltdurchmesser genau ein Maximum aufweist, welches nicht am Rand des Generators liegt, bezogen auf die Richtung der Generatorlängsachse. Somit ist zum einen die Oberfläche zwischen Rotor und Stator vergrößert, und ferner führt die Neigung des Rotors relativ zum Generatorstator nicht zu einer funktionsbeeinträchtigenden Reduzierung des Luftspalts, zugleich wird der Luftspalt des Generators aber auch nicht in unkritischen Bereichen überdimensioniert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Generator ein Innenläufergenerator, wobei der Generatorstator umfangsseitig konkav und der Generatorrotor umfangsseitig konvex ausgebildet sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine Ausgestaltung des Generatorrotors und Generatorstators vorgeschlagen, welche durch die Ausbildung eines gekrümmten Luftspalts, eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator ermöglicht, ohne dass der Luftspalt derart reduziert wird, dass sich der Generatorrotor und Generatorstator berühren und es zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Generator ein Außenläufergenerator, wobei der Generatorstator umfangsseitig konvex und der Generatorrotor umfangsseitig konkav ausgebildet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine Ausgestaltung des Generatorrotors und Generatorstators vorgeschlagen, welche durch die Ausbildung eines gekrümmten Luftspalts, eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator ermöglicht und sich die vorstehend beschriebenen Vorteile zu Nutze macht.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind der Generatorstator und der Generatorrotor umfangsseitig sphärisch bezogen auf einen Punkt geformt, welcher auf der
Statorlängsachse liegt, und bilden so einen umfangsseitig sphärisch gekrümmten Luftspalt um die Rotationsachse des Generators ohne das Wirken von äußeren Lasten auf die stationäre Aufnahme, aus. Der Luftspalt hat somit vorzugsweise eine konstante Breite zwischen Generatorrotor und Generatorstator.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der
Generatorstator und der Generatorrotor umfangsseitig sphärisch bezogen auf den Momentanpol des Generatorrotors geformt.
Neigt sich der Generatorrotor relativ zum Generatorstator, so bleibt der Luftspalt durch die sphärische Krümmung des Generatorrotors und Generatorstators um den
Momentanpol, welcher vorzugsweise im Mittelpunkt des Generators liegt, im
Wesentlichen konstant. Als im Wesentlichen konstant wird hier ein Bereich verstanden, in welchem sich der Luftspaltdurchmesser zwar verändert, die Änderung aber 50% oder weniger beträgt.
Der Momentanpol des Generators, insbesondere des Generatorrotors, bezeichnet den Punkt, um welchen der Generatorrotor bzw. der Generatorrotor und die mit ihm gekoppelte Rotationsbaugruppe rotieren. Die Lage des Momentanpols ist von der konstruktiven Gestaltung und von der Lagerung der Rotationsbaugruppe und deren Tragstruktur abhängig.
Der Achszapfen ist dabei so steif, dass die Lage des Momentanpols des Generators bzw. des Generators und der mit ihm gekoppelten Rotationsbaugruppe sowohl im Ruhebetrieb als auch unter Betriebslast und im Trudelbetrieb im Wesentlichen auf der Statorlängsachse liegt. Unter diesen Lastzuständen sind die Biegungen des Achszapfens folglich so gering, dass sie vernachlässigt werden können und die vorstehend beschriebene Neigung eine reine Verschränkung darstellt. Weiter bevorzugt weist der Generatorrotor eine Vielzahl von Polschuhen und der Generatorstator eine Vielzahl von korrespondierenden Polen auf, wobei die Polschuhe und die Pole umfangsseitig sphärisch gekrümmt um den Momentanpol des Generatorrotors ausgebildet sind. In jener Ausführung hat der Abstand zwischen den Polen und Polschuhen einen maßgeblichen Einfluss auf die Ausbeute der elektrischen Energie des Generators. Durch die sphärische Ausbildung bleibt der Luftspalt auch bei einer Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator und damit der Polschuhe relativ zu den Polen, im Wesentlichen konstant.
Weiter vorzugsweise weist der Generatorrotor eine Mittenebene und einen Generatormittelpunkt auf, wobei die Statorlängsachse zu der Mittenebene orthogonal verläuft und der Generatormittelpunkt auf der Mittenebene liegt, wobei die Pole und die Polschuhe symmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet sind. Diese Ausbildung ist insbesondere bei einer Lage des Momentanpols im Mittelpunkt des Generators vorteilhaft, da eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator in beide Drehrichtungen möglich ist, ohne dass sich der Luftspalt verändert.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Pole und die Polschuhe korrespondierend zu der Lage des Momentanpols asymmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet. Bei einer unsymmetrisch ausgebildeten Rotationsbaugruppe, welche mit dem Generatorrotor verbunden ist, entspricht die Lage des Momentanpols nicht dem Mittelpunkt des Generators. Dem entsprechend sind die Pole und Polschuhe asymmetrisch zu der Mittenebene ausgebildet, um mit der Lage des Momentanpols korrespondieren zu können und weiterhin in vorteilhafter Weise eine Neigung des Generatorrotors relativ zum Generatorstator zu ermöglichen, ohne dass sich der Luftspaltdurchmesser verändert.
Weiter bevorzugt weist der Generatorstator eine Statortiefe entlang der Statorlängsachse auf, und der Luftspaltdurchmesser variiert entlang der Statorlängsachse um weniger als die Statortiefe, insbesondere um weniger als ein Fünftel der Statortiefe. Somit wird der den Luftspaltdurchmesser des Generators in einem Maße variiert, welches zum einen funktional ist, zum anderen aber keine Überdimensionierung des Generators und damit der Gondel oder einer anderen Aufnahmeeinrichtung für einen Generator erfordert. Die entsprechende Ausbildung des Generators stellt somit einen guten Kompromiss zwischen einer kompakten Bauform und der erforderlichen Betriebssicherheit dar.
Weiter vorzugsweise ist die Statortiefe kleiner als 2 m und der Luftspaltdurchmesser größer als 3 m, insbesondere größer als 4,5 m. Vorzugsweise ist der Generator ein Ringgenerator, dessen Luftspaltdurchmesser im Verhältnis zur Tiefe groß ist, wodurch mehr Pole und Polschuhe vorgesehen sind und die Ausbeute elektrischer Leistung gesteigert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird das zugrundeliegende Problem durch eine Windenergieanlage mit einem Maschinenträger und einem mit dem Maschinenträger verbundenen Achszapfen und einer drehbar an dem Achszapfen gelagerten Rotationsbaugruppe mit einem mit der Rotationsbaugruppe wirkverbundenen Generator der vorstehend beschriebenen Art gelöst.
Wie vorstehend beschrieben, erfährt die stationäre Aufnahme des Generators, hier der Achszapfen und der Maschinenträger, im Ruhebetrieb und Trudelbetrieb sowie unter Betriebslast Lasten, welche zu einer Biegung führen, wobei die Biegungen des Achszapfens so gering sind, dass sie vernachlässigt werden können und die Neigung eine reine Verschränkung darstellt.
Indem die Windenergieanlage mit einem solchen erfindungsgemäßen Generator versehen wird, macht sie sich die entsprechenden Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen zu Eigen. Hinsichtlich der erreichten Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen wird somit auf die obigen Ausführungen des Generators verwiesen.
Ferner betrifft die Erfindung bevorzugt eine Windenergieanlage, welche einen Synchrongenerator und weiter vorzugsweise einen Synchron-Ringgenerator aufweist. Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Windenergieanlage einen vielpoligen Synchron-Ringgenerator auf. Ein solcher vielpoliger Synchron-Ringgenerator einer getriebelosen Windenergieanlage weist eine Vielzahl von Statorpolen auf, insbesondere wenigstens 48 Statorzähne, häufig sogar deutlich mehr Statorzähne wie insbesondere 96 Statorzähne oder noch mehr Statorzähne. Windenergieanlagen mit Synchron- Ringgenerator weisen weiter vorzugsweise einen großen mittleren Luftspaltdurchmesser auf, wobei das arithmetische Mittel des Luftspaltdurchmessers über die Generatortiefe insbesondere größer als 3 m, ferner insbesondere größer als 4,5 m ist.
Die Windenergieanlage hat vorzugsweise einen magnetisch aktiven Bereich des Generators, nämlich sowohl des Rotors als auch des Stators, der in einem ringförmigen Bereich um die Drehachse des Synchrongenerators angeordnet ist. Je nach Aufbau der erfindungsgemäßen Windenergieanlage kann eine Tragstruktur in dem inneren Bereich vorhanden sein, die aber in einigen Ausführungen axial versetzt ausgebildet sein kann.
Der Generator ist vorzugsweise fremderregt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Generator ein langsam drehender Generator. Hiermit wird ein Generator mit einer Drehzahl von 100 Umdrehungen pro Minute oder weniger, vorzugsweise 50 Umdrehungen pro Minute oder weniger, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 35 Umdrehungen pro Minute verstanden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Figur 1 : eine Windenergieanlage schematisch in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 2: eine Gondel der Windenergieanlage gemäß Figur 1 schematisch in einer teilgeschnittenen Ansicht,
Figur 3a: eine Prinzipskizze eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den
Figuren 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Figur 3b: eine Prinzipskizze eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den
Figuren 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
Figur 4a: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den Figuren 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Figur 4b: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den Figuren 1 und 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
Figur 5a: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den Figuren 1 und 2 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
Figur 5b: eine schematische Darstellung eines Generators für die Windenergieanlage gemäß den Figuren 1 und 2 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform im geneigten Zustand,
Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator 1 (Figur 2) in der Gondel 104 an. Die Gondel 104 ist in Figur 2 in einer Schnittansicht gezeigt. In der Gondel 104 ist ein Maschinenträger 116 in allgemein bekannter Weise angeordnet, der einen Achszapfen 114 trägt. Die Rotornabe 111 ist auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit den Rotorblättern 108 verbunden. Die Rotornabe 111 ist mit dem Generator 1 wirkverbunden.
Der Generator 1 weist einen Generatorstator 14 auf, der mittels einer Stator-Tragstruktur 24 an dem Maschinenträger 116 in der Gondel 104 befestigt ist. Der Generatorrotor 12 ist mittels einer Rotor-Tragstruktur 22 auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit der Rotornabe 111 wirkverbunden.
Weitere, von der Erfindung eingeschlossene Ausgestaltungsmöglichkeiten sehen beispielsweise vor, den Generator als Außenläufer vorzusehen, wobei der Generatorstator durch eine Tragstruktur an dem Achszapfen angeordnet und mit dem Maschinenträger verbunden ist und der Generatorrotor wirkverbunden mit der Rotornabe außen um den Generatorstator herum rotiert.
Der Generatorrotor 12 weist eine Vielzahl von Polschuhen 16 in einem Rotorgurt entlang seines Umfangs auf. Der Generatorstator 14 weist ferner eine Vielzahl korrespondierender Pole 18 auf. Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind dabei konkav und die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 konvex gekrümmt. Insbesondere sind sie sphärisch um den Mittelpunkt des Generators 1 , welcher auf der Statorlängsachse 30 liegt, gekrümmt.
Die Figuren 3a und 3b zeigen Prinzipskizzen des mit auf dem Achszapfen 114 drehbar gelagerten Generators 12. An dem Achszapfen 114 sind die Rotorblätter 108 in bekannter Weise drehbar gelagert. Erfährt der Achszapfen 114 eine Biegebelastung, wobei die Biegungen des Achszapfens 114 so gering sind, dass sie vernachlässigt werden können und die Neigung eine reine Verschränkung um den Generatormittelpunkt 34 darstellt, bleibt der Momentanpol 32 im Generatormittelpunkt 34 und die Dicke des Luftspalts am Generator 12 bleibt im Wesentlichen konstant.
Die Figuren 4a und 4b zeigen einen Ausschnitt des Generators 1 für eine Windenergieanlage 100 gemäß den Figuren 1 und 2.
Der Generatorrotor 12 ist mittels einer Tragstruktur 22 auf dem Achszapfen 114 gelagert und mit der Rotornabe 111 verbunden. Der Generatorstator 14 ist mittels einer Tragstruktur 24 mit dem Maschinenträger 116 der Windenergieanlage 100 verbunden.
Der Momentanpol 32 des Generatorrotors 12 und der mit dem Generatorrotor 12 gekoppelten Rotationsbaugruppe liegt im Mittelpunkt des Generators 1. Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind ebenso wie die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 um den Momentanpol gekrümmt. Der Generator 1 weist eine Mittenebene 34 auf, auf welcher der Generatormittelpunkt liegt und zu welcher die Statorlängsachse orthogonal verläuft.
Die Pole 18 und die Polschuhe 16 sind symmetrisch zu der Mittenebene 34 ausgebildet. Die Pole 18 des Generatorstators 14 und die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 bilden einen Luftspalt konstanter Breite aus. Wie Figur 3b zeigt, bleibt dieser Luftspalt bei einer Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators konstant.
Die Figuren 5a und 5b zeigen eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Generators. Der Momentanpol ist dabei beabstandet zu dem Generatormittelpunkt auf der Statorlängsachse 30 angeordnet.
Die Pole 18 des Generatorstators 14 sind ebenso wie die Polschuhe 16 des Generatorrotors 12 korrespondierend zu dem Momentanpol 32 asymmetrisch zu der Mittenebene 34 ausgebildet. Der Generator 1 weist eine Mittenebene 34 auf, auf welcher der Generatormittelpunkt liegt und zu welcher die Statorlängsachse 30 orthogonal verläuft.
Die Pole 18 und Polschuhe 16 sind dabei korrespondierend zu dem Momentanpol 32, welcher hier auf der Statorlängsachse 30 liegt, ausgebildet.
Wie Figur 4b zeigt, bleibt der Luftspalt bei einer Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators 1 konstant. Durch die asymmetrische Ausbildung der Pole 18 und Polschuhe 16, ist eine Neigung des Generatorrotors 12 relativ zum Generatorstator 14 um den Mittelpunkt des Generators 1 möglich, obwohl der Momentanpol 32 und damit der Drehpunkt der Rotationsbaugruppe nicht in diesem Punkt liegt.

Claims

Ansprüche:
1. Generator (1 ) für eine Windenergieanlage, mit
einem drehbar gelagerten Generatorrotor (12) mit einer Rotorlängsachse; und
einem Generatorstator (14) mit einer Statorlängsachse,
wobei zwischen Generatorrotor (12) und Generatorstator (14) ein Luftspalt ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt einen variierenden Durchmesser entlang der Statorlängsachse (30) aufweist, welcher durch eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der Statorlängsachse (30) beschrieben wird.
2. Generator (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspaltdurchmesser genau ein Maximum aufweist, welches nicht am Rand liegt.
3. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1 ) vom Typ Innenläufer ist, wobei der Generatorstator (14) konkav und der Generatorrotor (12) konvex ausgebildet ist.
4. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1 ) vom Typ Außenläufer ist, wobei der Generatorstator (14) konvex und der Generatorrotor (12) konkav ausgebildet ist.
5. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorstator (14) und der Generatorrotor (12) sphärisch um einen Mittelpunkt gekrümmt sind, welcher auf der Statorlängsachse (30) liegt, und einen sphärisch gekrümmten Luftspalt ausbilden.
6. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorstator (14) und der Generatorrotor (12) sphärisch um den Momentanpol (32) des Generatorrotors (12) gekrümmt sind, welcher auf der Statorlängsachse (30) liegt, und einen sphärisch gekrümmten Luftspalt ausbilden.
7. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorrotor (12) eine Vielzahl von Polen, und der Generatorstator (14) eine Vielzahl von korrespondierenden Polschuhen aufweist,
wobei die Pole (18) sphärisch gekrümmt um den Momentanpol (32) des Generatorrotors (12) ausgebildet sind, und die Polschuhe sphärisch gekrümmt um den Momentanpol (32) des Generatorrotors (12) ausgebildet sind, und zwischen den Polen (18) und den Polschuhen (16) partiell der Luftspalt ausgebildet ist.
8. Generator (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorrotor (12) eine Mittenebene und einen Generatormittelpunkt aufweist, wobei der Generatormittelpunkt auf der Mittenebene liegt und die Statorlängsachse (30) orthogonal zu der Mittenebene verläuft, wobei die Pole (18) und die Polschuhe (16) symmetrisch zu der Mittenebene (34) ausgebildet sind.
9. Generator (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (18) und die Polschuhe (16) korrespondierend zu der Lage des Momentanpols (32) asymmetrisch zu der Mittenebene (34) ausgebildet sind.
10. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang der Statorlängsachse (30) eine Statortiefe aufweist und der Luftspaltdurchmesser entlang der Statorlängsachse (30) um weniger als die Statortiefe, insbesondere um weniger als ein Fünftel der
Statortiefe, variiert.
1 1. Generator (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statortiefe kleiner ist als 2 Meter, und der Luftspaltdurchmesser größer ist als 3 m, insbesondere größer als 4,5 m ist.
12. Windenergieanlage (100), mit einem Maschinenträger (1 16) und einem mit dem Maschinenträger (1 16) verbundenen Achszapfen (1 14), und einer drehbar an dem Achszapfen (1 14) gelagerten Rotationsbaugruppe (22, 1 1 1 ),
gekennzeichnet, durch einen mit der Rotationsbaugruppe (22, 1 1 1 ) wirkverbundenen Generator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1.
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