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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Blattverstelleinrichtung zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine ein solches Verfahren durchführende Windenergieanlage und sie betrifft eine eine solche Blattverstelleinrichtung aufweisende Windenergieanlage.
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Windenergieanlagen, die aus Wind elektrischen Strom erzeugen und diesen in ein elektrisches Versorgungsnetz einspeisen, sind allgemein bekannt. Ein Beispiel einer solchen Windenergieanlage ist in 1 schematisch dargestellt.
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Üblicherweise weisen moderne Windenergieanlagen eine Rotorblattverstelleinrichtung zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes auf. Solche Verstelleinrichtungen, die auch als Pitchverstelleinrichtungen bezeichnet werden, können durch das Verstellen des Anstellwinkels, dem sogenannten Pitchen, sowohl die Abgabeleistung der Windenergieanlage regeln, als auch die durch den Wind an der Windenergieanlage hervorgerufene Belastung begrenzen.
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Zum Verstellen des Anstellwinkels weisen bekannte Blattverstelleinrichtungen wenigstens einen Blattverstellmotor pro Rotorblatt auf, der auf einen Zahnkranz bzw. die Rotorblattwurzel des zu verstellenden Rotorblattes wirkt, um die Verstellung des Anstellwinkels des Rotorblattes zu bewirken.
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Auf Grund der Größe des zu verstellenden Rotorblattes kann es zweckmäßig sein, dass die Blattverstelleinrichtung mehrere Blattverstellmotoren zum Verstellen des Rotorblattes aufweist.
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Eine solche Blattverstelleinrichtung, die mehrere Blattverstellmotoren pro Rotorblatt aufweist, ist beispielsweise aus
EP 1 337 755 B1 bekannt.
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Nachteilig bei einer Blattverstelleinrichtung mit mehreren Blattverstellmotoren pro Rotorblatt kann eine ungleiche Drehmomentenaufteilung der Blattverstellmotoren sein. Sofern nämlich mehrere Blattversellmotoren zum Verstellen eines Rotorblattes verwendet werden, kann es zu einer ungleichmäßigen Drehmomenteneinleitung in das Rotorblattblatt kommen, wenn die Motoren nicht identisch arbeiten. Das kann hohe mechanische Belastungen des Rotorblattes und/oder Beschädigungen am Rotorblatt zur Folge haben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, wenigstens eines der vorgenannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die eine möglichst gleichmäßige Momenteneinleitung der Blattverstellmotoren in das Rotorblatt ermöglicht. Zumindest soll gegenüber dem bisher Bekannten eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verstellen eines Anstellwinkels einer Windenergieanlage nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Es wird somit ein Verfahren zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage vorgeschlagen, mit einer wenigstens einen Blattverstellmotor aufweisenden Blattverstelleinrichtung, wobei der wenigstens eine Blattverstellmotor über ein Ritzel auf einen Zahnkranz wirkt, um die Verstellung des Rotorblattes zu bewirken. Der Blattverstellmotor kann vereinfachend auch nur als Verstellmotor oder nur als Motor bezeichnet werden.
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Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Erfassen wenigstens einer Motorposition und/oder Motordrehzahl des wenigstens einen Blattverstellmotors,
- – Erfassen wenigstens einer Ritzelposition und/oder Ritzeldrehzahl wenigstens des Ritzels des wenigstens einen Blattverstellmotors, zu dem die wenigstens eine Motorposition erfasst wird, und
- – Steuern der Blattverstelleinrichtung, insbesondere des wenigstens einen Blattverstellmotors in Abhängigkeit der so erfassten Positionen und/oder Drehzahlen.
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Das Verfahren erfasst also wenigstens eine Motor- und eine Ritzelposition und kann daraus Informationen ableiten, die zum Steuern des wenigstens einen Blattverstellmotors, und damit zum Steuern der Blattverstelleinrichtung, verwendet werden können.
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Besonders bei Vorliegen eines Getriebes zwischen Motor und Ritzel kann eine signifikante Elastizität zwischen Motor und Ritzel vorliegen. Die tatsächliche Ritzelposition kann durch diese Elastizität von einer idealen, der Motorposition zugeordneten Ritzelposition ohne Elastizität, abweichen. Besonders eine solche Abweichung kann erfasst werden und beim Steuern des Blattverstellmotors berücksichtigt werden. Besonders kann aus einer solchen Abweichung ein Drehmoment abgeleitet werden. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, das Drehmoment als zu steuernde Größe zu verwenden.
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Außerdem oder alternativ wird jeweils eine Drehzahl für Motor und Ritzel erfasst und daraus eine Drehzahldifferenz bestimmt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Ritzelposition aus der Position des zu verstellenden Rotorblattes, nämlich dem Blattwinkel, bestimmt. Der Blattwinkel wird üblicherweise erfasst und über den Befestigungsort jedes Ritzels ist daraus die Ritzelposition, also die Drehposition des Ritzels, zu erkennen.
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Es wäre auch möglich, die aufgenommenen Daten zur Steuerung der Blattverstelleinrichtung zu verwenden, indem die erfassten Werte eines Blattverstellmotors zur Steuerung eines anderen Blattverstellmotors verwendet werden.
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Wenn die Blattverstelleinrichtung mehrere Blattverstellmotoren aufweist, was gemäß einer Ausführungsform vorgesehen ist, die jeweils über ein weiteres Ritzel auf denselben Zahnkranz wirken, um eine Verstellung des Anstellwinkels des Rotorblattes zu bewirken, wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, weitere Positionen zu Erfassen und in der Steuerung zu berücksichtigen. Vorzugsweise werden die folgenden Schritte vorgeschlagen:
- – Erfassen wenigstens einer weiteren Motorposition und/oder Motordrehzahl wenigstens eines weiteren Blattverstellmotors, der jeweils über ein weiteres Ritzel auf denselben Zahnkranz wirkt und optional Erfassen jeweils einer Ritzelposition und/oder Ritzeldrehzahl des wenigstens einen weiteren Ritzels und
- – Steuern der Blattverstellmotoren in Abhängigkeit aller erfassten Motorpositionen und/oder Motordrehzahlen und ggf. aller erfasster Ritzelpositionen und/oder Ritzeldrehzahlen.
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Es wird somit jeweils eine weitere Motorposition zu jedem weiteren Blattverstellmotor, der über ein weiteres Ritzel auf denselben Zahnkranz wirkt, erfasst. Optional kann auch die Ritzelposition der weiteren Ritzel dazu mit erfasst werden. Das kann aber besonders dann entbehrlich sein, wenn aus der Position eines Ritzels die Position jedes weiteren auf denselben Zahnkranz wirkenden Ritzels abgeleitet werden kann. Auch hier können die Ritzelpositionen gemäß einer Ausführungsform aus dem Blattwinkel abgeleitet werden. Insoweit eine solche Blattposition eine geringe Genauigkeit aufweisen sollte, so dass ein kleiner Fehler entsteht, so ist dieser aber für alle Ritzelpositionen gleich und kann sich daher besonders dann herausheben, wenn die Ritzelpositionen mehrerer Ritzel in Bezug zu einander gebracht oder ausgewertet werden.
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Mit der weiteren Motorposition und besonders der weiteren Ritzelposition, gemessen oder abgeleitet, liegen nun diese Informationen für mehrere Verstellmotoren mit ihren Ritzeln vor. Darauf aufbauend können nun alle Blattverstellmotoren, basierend auf diesen Informationen gesteuert werden. Insbesondere erfolgt das so, dass diese wenigstens zwei Motoren, also diese wenigstens zwei Blattverstellmotoren, zu einander koordiniert gesteuert werden. Es kann nun nämlich erkannt werden, ob die Motoren, unterschiedlich stark auf den Zahnkranz wirken. Ist das der Fall, ist also bspw. bei einem Motor die Abweichung zwischen Motorposition und Ritzelposition, nachdem das Übertragungsverhältnis eines Getriebes herausgerechnet wurde, größer als bei dem anderen, kann der eine, bildlich gesprochen, etwas schwächer angesteuert werden als der andere, bis die Abweichungen zwischen Motorposition und Ritzelposition beider Motoren im optimalen Fall wieder gleich sind. Das kann sinngemäß auch für mehr als zwei Blattverstellmotoren vorgesehen sein.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Berücksichtigung der Positionen so frühzeitig erfolgt, dass es erst gar nicht zu großen Unterschieden der Abweichungen kommt.
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Somit kann über diese Positionserfassung und Berücksichtigung das Verstellen des betreffenden Rotorblattes regelungstechnisch positiv beeinflusst werden. Besonders ist eine Vergleichmäßigung der Kräfteeinleitung, also der Drehmomenteneinleitung möglich.
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Ebenso kann besonders ergänzend die Drehzahl berücksichtigt werden. Das gilt grundsätzlich für jede Stelle, an der auch die Position erfasst wurde. Das gilt also für Motordrehzahlen genauso wie für Ritzeldrehzahlen. Grundsätzlich müssen nicht unbedingt die Drehzahlen auch an jeder Stelle erfasst und ausgewertet werden, an der auch die Positionen erfasst und ausgewertet werden, allerdings kann meist derselbe Geber, insbesondere Motorgeber und/oder Ritzelgeber, also dasselbe Messelement, das die Position erfasst, auch zum Erfassen der Drehzahl verwendet werden. Entweder weist der Geber diese Funktionalität auf, oder aus der Position kann in einem Prozessrechner auf einfache Art und Weise die Drehzahl ermittelt werden. Die Drehzahl kann dann besonders auch zusätzlich Berücksichtigung finden, wenn sie durch ihre Änderung Aufschluss über Beschleunigungen gibt. Besonders abweichende Beschleunigungen zwischen Motorwelle und Ritzel desselben Motors als auch Abweichungen der Beschleunigung zwischen unterschiedlichen Blattverstellmotoren können Berücksichtigung finden. Besonders ist auch die Auswertung der betreffenden Drehzahl für eine positive Beeinflussung der Regeldynamik hilfreich. Eine Drehzahlberücksichtigung kann bspw. dämpfend auf die Regelung wirken.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für alle Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung jeweils die Motorposition des Blattverstellmotors mit der Ritzelposition des betreffenden Ritzels verglichen wird und daraus jeweils ein Drehmoment bestimmt wird. Davon abhängig werden die Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung so angesteuert, dass die von den Blattverstellmotoren auf die Ritzel wirkenden Drehmomente vergleichmäßigt werden. Die Vergleichmäßigung kann über eine entsprechende Drehmomentvorgabe erfolgen, wie bspw. oben erläutert wurde.
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Besonders wird vorgeschlagen, dass zu jedem Blattverstellmotor der Blattverstelleinrichtung aus Motorposition und Ritzelposition jeweils ein Drehmoment bestimmt wird. Es liegt dann also zu jedem Motor-Ritzel-Paar ein Drehmoment vor. Diese Drehmomente werden in ihrer Gesamtheit ausgewertet und die Verstellmotoren so angesteuert, dass diese Drehmomente vergleichmäßigt werden. Dabei können dafür die Drehmomente an der jeweiligen Motorwelle oder aber die Drehmomente an dem jeweiligen Ritzel verwendet werden. Es werden also alle Motormomente miteinander verglichen und vergleichmäßigt oder alle Ritzelmomente werden miteinander verglichen und vergleichmäßigt. Letztlich unterscheidet sich ein Ritzelmoment von dem betreffenden Motormoment nur, zumindest im Wesentlichen, durch das Übertragungsverhältnis des Getriebes. Vorzugsweise wird insoweit unterstellt, dass die Verstellmotor-Ritzel-Paare gleichartig aufgebaut sind, insbesondere ein Getriebe mit demselben Übersetzungsverhältnis aufweisen. Anderenfalls müssten entsprechende Unterschiede herausgerechnet werden. Auch für die übrigen Ausführungsformen kommt in Betracht, statt eines Motormomentes ein Ritzelmoment zu verwenden.
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Auch für die Berücksichtigung aller Blattverstellmotoren kann ergänzend die Drehzahl sowohl des Motors als auch des Ritzels ausgewertet werden und in die Steuerung einfließen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass für alle Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung jeweils die Motordrehzahl des Blattverstellmotors mit der Ritzeldrehzahl des betreffenden Ritzels verglichen wird und daraus jeweils eine Differenzdrehzahl bestimmt wird und davon abhängig die Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung so angesteuert werden, dass die von den Blattverstellmotoren auf die Ritzel wirkenden Drehmomente vergleichmäßigt werden.
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Die Erfassung und Auswertung der Differenzdrehzahl kann Informationen über die vorhandenen Drehmomente geben und damit eine Steuerung der Blattverstellmotoren bewirken, die eine Vergleichmäßigung der Drehmomente schaffen kann. Dabei ist zu beachten, dass eine Differenzdrehzahl zu einer Drehmomentänderung proportional sein kann. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Berücksichtigung der Differenzdrehzahlen zusammen mit der Berücksichtigung der Differenzpositionen und damit der erfassten Drehmomente durchgeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Mehrgrößenregler zum Steuern der Blattverstellmotoren vorgeschlagen, bei dem die erfassten Motorpositionen, Motordrehzahlen, Ritzelpositionen, Ritzeldrehzahlen und/oder daraus berechnete Abweichungen Eingangsgrößen des Mehrgrößenreglers und Eingangsströme und/oder Eingangsspannungen der Blattverstellmotoren Stellgrößen des Mehrgrößenreglers bilden. Ein solcher Mehrgrößenregler setzt somit eine Mehrgrößenregelung um, nämlich insbesondere die Regelung eines Systems mit mehreren Eingangsgrößen und mehreren Ausgangsgrößen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
- – zu jedem Blattverstellmotor und seinem Ritzel an eine Steuereinheit
– ein Motorpositionssignal und/oder ein Motordrehzahlsignal sowie
– ein Ritzelpositionssignal und/oder ein Ritzeldrehzahlsignal gegeben wird, und
- – die Steuereinheit daraus zu jedem Blattverstellmotor eine Positionsabweichung zwischen Motorposition und Ritzelposition und/oder eine Drehzahlabweichung zwischen Motordrehzahl und Ritzeldrehzahl berechnet, und
- – die Steuereinheit alle so berechneten Positionsabweichungen und/oder alle Drehzahlabweichungen gegenüberstellt und daraus Steuersignale und/oder Korrektursignale für die Blattverstellmotoren ableitet und an die Blattverstellmotoren überträgt.
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Demnach werden zunächst zu jedem Blattverstellmotor, also zu jedem Blattverstellmotor-Ritzel-Paar, Messsignale an die Steuereinheit übertragen und daraus Abweichungen der Positionen und außerdem oder alternativ die Abweichungen der Drehzahlen bestimmt. In der Regel ist zwischen jedem Motor und seinem Ritzel ein Getriebe vorgesehen und für die Bestimmung der Abweichungen werden somit Ritzelpositionen bzw. Ritzeldrehzahlen auf die Motorseite umgerechnet. Vorzugsweise kann die Steuereinheit zu jedem Blattverstellmotor eine Untereinheit aufweisen. Die Abweichungen werden dann miteinander vergleichen um ein Gesamtbild zu erhalten. Aus den Unterschieden der Abweichungen werden dann Steuersignale berechnet bzw. erzeugt, um die Abweichungen anzugleichen, um die Unterschiede also auszuregeln.
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Die Steuerung der Blattverstellmotoren erfolgt vorzugsweise mittels einer Steuereinheit, die Untereinheiten koordiniert, die die einzelnen Blattverstellmotoren in Abhängigkeit ihrer Motorposition und der entsprechenden Ritzelposition steuern. Zum Erfassen von Abweichungen zwischen Motorposition und Ritzelposition kann für jeden Blattverstellmotor eine Logikeinheit vorgesehen sein, die auch als Differenzbildungseinheit bezeichnet werden kann. Insoweit können die Abweichungen zwischen Motor- und Ritzelposition als auch die Abweichungen zwischen Motor- und Ritzeldrehzahl als Differenzen bezeichnet und gebildet werden.
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Dazu werden Steuersignale an die Motoren gegeben, um das Drehmoment bei den Motoren zu reduzieren, die ein großes, insbesondere überdurchschnittlich großes Drehmoment einleiten, und um das Drehmoment bei den Motoren zu erhöhen, die ein kleines, insbesondere unterdurchschnittlich kleines Drehmoment einleiten.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Blattverstelleinrichtung zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen.
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Es wird somit eine Blattverstelleinrichtung zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, mit wenigstens einem Blattverstellmotor vorgeschlagen, wobei
- – der Blattverstellmotor über ein Ritzel auf einen Zahnkranz wirkt, um die Verstellung des Rotorblattes zu bewirken, und
- – eine Motorposition und/oder Motordrehzahl des Blattverstellmotors und eine Ritzelposition und/oder Ritzeldrehzahl des Ritzels erfasst wird, und
- – abhängig der erfassten Positionen bzw. Drehzahlen die Blattverstelleinrichtung, insbesondere der wenigstens eine Blattverstellmotor gesteuert wird.
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Die Blattverstelleinrichtung ist insbesondere so aufgebaut und arbeitet so, wie oben im Zusammenhang mit wenigstens einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verstellen eines Anstellwinkels beschrieben wurde.
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Zum Erfassen der Motorposition und der Ritzelposition können sogenannte Drehgeber, bzw. Geber, also Messumformer verwendet werden. Wenn sie beispielsweise die Motorposition erfassen, können sie als Motorgeber bezeichnet werden und wenn sie die Ritzelposition erfassen, können sie als Ritzelgeber bezeichnet werden. Alternativ, oder ergänzend, können die Ritzelposition und/oder Ritzeldrehzahl aus einem Blattwinkel bzw. einer Blattwinkeldrehzahl abgeleitet werden.
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Es wird somit eine Blattverstelleinrichtung zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes einer Windenergieanlage vorgeschlagen, die wenigstens einen Blattverstellmotor aufweist. Der Blattverstellmotor wirkt über ein Ritzel auf einen Zahnkranz, um die Verstellung des Rotorblattes zu bewirken. Eine Motorposition des Blattverstellmotors und eine Ritzelposition des Ritzels werden erfasst. Abhängig dieser erfassten Positionen wird der wenigstens eine Blattverstellmotor gesteuert. Motorpositionen bzw. Ritzelpositionen beschreiben grundsätzlich jeweils deren Drehposition, und somit deren Winkel, wobei die Winkel nicht auf 0 bis 360° beschränkt sind, sondern auch vielfache Umdrehungen beinhalten können.
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Die Blattverstelleinrichtung weist also wenigstens einen Blattverstellmotor auf, der ein Drehmoment und eine Drehzahl über ein Ritzel in das Rotorblatt einleitet bzw. in den Zahnkranz des Rotorblattes einleitet und in Abhängigkeit der Blattverstellmotorposition und der Ritzelposition gesteuert wird.
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Je nach Ausführung und/oder Größe der Windenergieanlage, kann zwischen der Antriebsseite des Blattverstellmotors und des Ritzels auch ein Getriebe, insbesondere ein weiches Getriebe, angeordnet sein.
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Vorzugsweise weist die Blattverstelleinrichtung wenigstens einen weiteren Blattverstellmotor auf, der über ein weiteres Ritzel auf denselben Zahnkranz wirkt, um die Verstellung des Rotorblattes zu bewirken, wobei zu jedem Blattverstellmotor seine Motorposition und/oder seine Motordrehzahl und die Ritzelposition und/oder die Ritzeldrehzahl des jeweiligen Ritzels erfasst wird und jeder Blattverstellmotor davon abhängig gesteuert wird, insbesondere abhängig der erfassten Werte aller Blattverstellmotoren.
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Die Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung wirken also über jeweils ein Ritzel auf denselben Zahnkranz, um die Verstellung desselben Rotorblattes zu bewirken.
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Die Blattverstelleinrichtung kann aber auch mehr als zwei Blattverstellmotoren aufweisen. Insbesondere kann sie vier Blattverstellmotoren aufweisen. Sie kann aber auch, um einige Beispiele zu nennen, acht oder zehn Blattverstellmotoren umfassen, die über jeweils ein Ritzel auf den Zahnkranz des Rotorblattes wirken, um den Anstellwinkel des Rotorblattes zu verstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Blattverstelleinrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – jeder Blattverstellmotor mit Ritzel
– ein Motorgeber zum Ausgeben eines Motorpositionssignals und/oder zum Ausgeben eines Motordrehzahlsignal sowie
– ein Ritzelgeber zum Ausgeben eines Ritzelpositionssignals und/oder zum Ausgeben eines Ritzeldrehzahlsignals, aufweist,
- – eine Steuereinheit vorgesehen ist zum Empfangen der Positionssignale und/oder Drehzahlsignale, und um daraus zu jedem Blattverstellmotor eine Positionsabweichung zwischen Motorposition und Ritzelposition und/oder eine Drehzahlabweichung zwischen Motordrehzahl und Ritzeldrehzahl zu berechnen, und
- – die Steuereinheit mit den Blattverstellmotoren dazu verbunden ist, alle so berechneten Positionsabweichungen und/oder alle Drehzahlabweichungen gegenüber zu stellen und daraus Steuersignale und/oder Korrektursignale für die Blattverstellmotoren abzuleiten und an die Blattverstellmotoren zu übertragen.
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Durch diese Struktur kann eine Auswertung und Steuerung so durchgeführt werden, wie oben bereits zu wenigstens einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verstellen des Anstellwinkels eines Rotorblattes beschrieben wurde.
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Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit für jeden Verstellmotor eine Differenzbildungseinheit, die die Positionssignale und/oder Drehzahlsignale des jeweiligen Verstellmotors empfängt und daraus zu dem jeweiligen Blattverstellmotor eine Positionsabweichung zwischen Motorposition und Ritzelposition und/oder eine Drehzahlabweichung zwischen Motordrehzahl und Ritzeldrehzahl berechnet.
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Diese Abweichungen können dann von den Differenzbildungseinheiten an eine Zentralsteuereinheit übertragen werden, insbesondere als Abweichungssignale. Die Zentralsteuereinheit berücksichtigt dann alle so berechneten Abweichungen und gibt als Ergebnis entsprechende Steuersignale an die einzelnen Blattverstellmotoren aus. Vorzugsweise ist in der Zentralsteuereinheit eine Mehrgrößenregelung oder ein Teil davon implementiert. Die Steuereinheit kann somit die Zentralsteuereinheit und mehrere Differenzbildungseinheiten umfassen.
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Vorzugsweise kann eine der Differenzbildungseinheiten die Abweichungen bzw. Abweichungssignale der übrigen Differenzbildungseinheiten empfangen und dann optional die gemeinsame Auswertung aller Abweichungen mit durchführen. Vorteilhaft ist es, wenn diese eine Differenzbildungseinheit die Funktion der Zentralsteuereinheit übernimmt, zumindest teilweise. Alternativ kann auch eine dezentrale Auswertung vorgenommen werden.
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Vorzugsweise sind die Blattverstellmotoren als Gleichstrommotoren ausgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Blattverstelleinrichtung bzw. jede Blattverstelleinrichtung eine Steuereinheit, auf, die dazu vorgesehen ist, die Steuerung der Blattverstellmotoren in Abhängigkeit der erfassten Positionen durchzuführen und/oder zu koordinieren.
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Die Blattverstelleinrichtung wird durch diese Steuereinheit gesteuert, die die Blattverstellmotoren in Abhängigkeit der jeweiligen erfassten Motor- und Ritzelposition über eine Motoransteuerung ansteuert.
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Vorzugsweise berücksichtigt die Steuereinheit wenigstens einen Sollwerte für den einzustellenden Blattwinkel. Dazu kann sie einen weiteren Signaleingang aufweisen, um darüber Sollwerte für den jeweils einzustellenden Blattwinkel zu empfangen und diese weiter mit zu berücksichtigen.
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Erfindungsgemäß wird auch eine Windenergieanlage mit einer Blattverstelleinrichtung gemäß wenigstens einer Ausführungsform vorgeschlagen. Außerdem oder alternativ wird eine Windenergieanlage vorgeschlagen, die ein Verfahren zum Verstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblattes gemäß wenigstens einer Ausführungsform einsetzt.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Windenergieanlage.
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2 zeigt schematisch und vereinfachend eine Blattverstelleinrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Blattverstelleinrichtung mit einem Blattverstellmotor.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Blattverstelleinrichtung mit mehreren Blattverstellmotoren gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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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 in der Gondel 104 an.
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2 zeigt schematisch und vereinfachend eine Blattverstelleinrichtung 200 gemäß dem Stand der Technik.
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Ein Blattverstellmotor 201 wird demnach von einer der Motoransteuerung 210 angesteuert und wirkt dabei über eine Motorwelle 202 und über ein Getriebe 203 auf ein Ritzel 204, das mit einem Zahnkranz 205 eines zu verstellenden Rotorblattes gekoppelt ist, um den Anstellwinkel des Rotorblatt zu verstellen.
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Die Motoransteuerung 210 des Blattverstellmotors 201 erhält dafür einen Sollwert 212, der beispielsweise von einer Betriebssteuerung der Windenergieanlage bereitgestellt wird und setzt diesen in ein Steuersignal 214 um, das an den Blattverstellmotor 201 gegeben wird.
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Insoweit zeigt diese 2 eine übliche Blattverstelleinrichtung, die allerdings häufig mehrere solcher Blattverstellmotoren 201 aufweist, die jeweils eine eigene Motoransteuerung 210 und ein eigenes Ritzel 204 aufweisen. All diese Blattverstellmotoren wirken dabei auf denselben Zahnkranz 205 und erhalten denselben Sollwert 212. Alternativ können die Blattverstellmotoren statt des Sollwertes bereits ein Steuersignal erhalten.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Blattverstelleinrichtung 300, die einen Blattverstellmotor 301 aufweist, der über eine Motoransteuerung 310 angesteuert wird.
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Der Blattverstellmotor 301, der insbesondere als Gleichstrommotor ausgeführt ist, wirkt über eine Motorwelle 302 und ein Getriebe 303 auf ein Ritzel 304, das mit einem Zahnkranz 305 eines zu verstellenden Rotorblattes gekoppelt ist, um einen Anstellwinkel des Rotorblattes zu verstellen.
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Das vom Blattverstellmotor 301 erzeugte Drehmoment und die erzeugte Drehzahl werden also über das Getriebe 303 auf den Zahnkranz 305 übertragen.
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Ein Motorgeber 306, der im Wesentlichen zwischen dem Motor 301 und dem Getriebe 303 an einer Motorwelle 305 angeordnet ist, erfasst die Motorposition 316 des Blattverstellmotors 301.
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Ein Ritzelgeber 308, der im Wesentlichen am Ritzel 304 zwischen Getriebe 303 und Zahnkranz 305 angeordnet ist, erfasst die Ritzelposition 318 des Ritzels 304.
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Die so erfasste Motorposition 316 und die so erfasste Ritzelposition 318 werden an eine Logikeinheit 320 gegeben und dort ausgewertet. Es wird also eine Differenz zwischen der Motorposition 316 und der Ritzelposition 318 gebildet bzw. aus den erhaltenen Daten berechnet.
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Außerdem oder alternativ kann auch eine Differenzdrehzahl gebildet und weiter ausgewertet werden. Deshalb kann die Logikeinheit 320 auch synonym als Differenzbildungseinheit bezeichnet werden. Für die Berechnung dieser Differenz wird das Übertragungsverhältnis des Getriebes 303 herausgerechnet. Dafür wird die Ritzelposition auf die Motorseite transformiert. Alternativ kann auch die Motorposition auf die Ritzelseite transformiert werden, um ein weiteres Beispiel zu nennen. Diese Differenz, oder ein daraus abgeleiteter Korrekturwert, werden dann als Korrekturwert 322 an die Motoransteuerung 310 übergeben.
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Die Motoransteuerung 310 wertet den externen Soll-Wert 312, der beispielsweise von einer Betriebssteuerung der Windenergieanlage bereitgestellt wird, und den Korrekturwert 322 aus und erzeugt ein Ansteuersignal 314, das somit eine Ansteuerung 314 bildet, und an den Blattverstellmotor gegeben wird. Die Ansteuerung 314 steuert somit den Blattverstellmotor 301 an, der dann ein entsprechendes Drehmoment über das Getriebe 303 an den Zahnkranz 305 abgibt.
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Zudem kann die Logikeinheit 320 dazu vorbereit sein, mittels einer Schnittstelle mit anderen Logik- und/oder Steuereinheiten zu kommunizieren und ggf. die aus der Kommunikation erhaltenen Werte mit in den Korrekturwert 322 einfließen zu lassen. Das ist besonders durch eine Kommunikationsleitung zum Übertragen von Daten 324 angedeutet und setzt voraus, dass wenigstens ein weiterer Verstellmotor vorhanden ist.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Blattverstelleinrichtung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Die Blattverstelleinrichtung 400 weist gegenüber der Blattverstelleinrichtung 300 der 3 zwei Blattverstellmotoren 401 und 451 auf. Es können aber auch weitere Blattverstellmotoren einschließlich verbundener Komponenten vorgesehen sein und sinngemäß verbunden und angesteuert werden, wie nachfolgend für die beiden gezeigten Blattverstellmotoren beschrieben wird.
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Zur Beschreibung der Funktion der einzelnen Blattverstellmotoren mit ihren Ritzeln nebst Messaufnehmern wird zudem ergänzend auf die Erläuterungen zur 3 verwiesen.
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Die Blattverstelleinrichtung 400 umfasst somit mehrere Blattverstellmotoren 401 und 451 mit jeweils einer Motoransteuerung 410 und 460. Der Blattverstellmotor 401 wirkt über die Motorwelle 402 und das Getriebe 403 auf das Ritzel 404 und der Blattverstellmotor 451 wirkt über die Motorwelle 452 und das Getriebe 453 auf das Ritzel 454.
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Die Blattverstellmotoren 401 und 451 und ihre verbundenen Motoransteuerungen, Ritzel und Getriebe können auch jeweils identisch sein.
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Die beiden Ritzel 404 und 454 sind also mit dem einen Zahnkranz 405 des zu verstellenden Rotorblattes so gekoppelt, dass beide Blattverstellmotoren 401 und 451 jeweils ein Drehmoment in den Zahnkranz 405 einleiten, die idealerweise gleich sind. Die beiden Blattverstellmotoren 401 und 451 sind damit auch mechanisch über den Zahnkranz 405 miteinander verbunden.
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Die Motorpostionen 416 und 466 der jeweiligen Blattverstellmotoren 401 und 451 werden durch die Motorgeber 406 und 456, und die jeweiligen Ritzelpositionen 418 und 468 durch die jeweiligen Ritzelgeber 408 und 458 erfasst.
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Die so erfassten Positionen 416 und 418 sowie 466 und 468 werden jeweils durch die jeweilige Logikeinheit 420 und 470 ausgewertet, wobei zunächst eine Differenz zwischen Motorposition und Ritzelposition erfasst wird. Auch hierbei kann zusätzlich oder alternativ jeweils eine Differenzdrehzahl berechnet und/oder erfasst werden. Zur weiteren Auswertung der so erfassten Positionen werden die anderen Abweichungen, nämlich die der jeweils anderen Blattverstellmotoren und Ritzel mit berücksichtigt. Dafür sind die Logikeinheiten 420 und 470 miteinander verbunden und können entsprechende Daten austauschen.
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Die beiden Logikeinheiten 420 und 470 sind auch mit weiteren Logikeinheiten 480 und 490 verbunden, die für weitere Verstellmotoren vorgesehen sind und jeweils mit einem der weiteren Verstellmotoren sinngemäß so gekoppelt sind, wie es für die ersten beiden Verstellmotoren 401 und 451 beschrieben ist. Diese beiden weiteren Logikeinheiten 480 und 490 stehen daher repräsentativ für die beiden weiteren Verstellmotoren, sollen aber auch andeuten, dass noch weitere Verstellmotoren in gleicher Art und weise vorgesehen und gekoppelt sein können.
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Die Logikeinheiten 420, 470, 480 und 490 sind somit gekoppelt und können basierend auf den erfassten Differenzen aller Verstellmotoren Korrekturwerte 422 und 472 berechnen und jeweils an ihre Steuereinheit 410 bzw. 460 geben. Dazu ist in der Darstellung gezeigt, dass die erste Logikeinheit 420 einen Korrekturwert 422 oder ein Korrektursignal 422 an die erste Steuereinheit 410 gibt und die zweite Logikeinheit 470 einen Korrekturwert 472 oder ein Korrektursignal 472 an die zweite Steuereinheit 460 gibt. Die weiteren Logikeinheiten 480 und 490 arbeiten ähnlich, was in der 4 allerdings nicht gezeigt ist.
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Die Auswertung wird somit für jeden Verstellmotor 401 und 451 mittels der zugehörigen Logikeinheit 420 und 470 vorgenommen.
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Für die Ansteuerung der Verstellmotoren 401 und 451 erhalten die Steuereinheiten 410 und 460 die Soll-Werte 412 und 462, die z.B. eine Betriebssteuerung der Windenergieanlage vorgeben kann. Diese Soll-Werte können Soll-Werte für einen einzustellenden Blattwinkel sein, oder bereits Soll-Werte für Stellmomente oder Stellströme des Motors sein. Die Korrekturwerte können den entsprechenden Soll-Wert betreffen und ändern, und/oder unmittelbar auf die Steuergröße 414 bzw. 464 einwirken.
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Hierzu werten die Motoransteuerungen 410 und 460 die externen Soll-Werte 412 und 462 und die Korrekturwerte 422 und 472 jeweils gemeinsam aus. Die Sollwerte können die Motoransteuerungen 410 und 460 beispielsweise auch durch eine weitere Steuereinheit erhalten haben, die ein Teil der Blattverstelleinrichtung sein kann. Mit der aus der Auswertung resultierenden Ansteuerung 414 und 464 werden die Blattverstellmotoren 401 und 451 dann angesteuert.
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Die Logikeinheiten 480 und 490 sind somit Logikeinheiten von weiteren Blattverstellmotoren der Blattverstelleinrichtung, die ebenfalls auf den Zahnkranz 405 wirken.
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Die Erfindung schafft somit eine Verbesserung einer üblichen Blattverstellung. 2 gibt dazu die Ausgangssituation an.
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Der Blattverstellmotor 201 bringt ein Drehmoment und eine Drehzahl auf. Diese werden über das Getriebe 203 auf das Ritzel 204 übertragen. Getriebe 203 und Ritzel 204 haben jeweils eine Übersetzung. Das Ritzel überträgt die Bewegung auf den Zahnkranz 205, über den das Rotorblatt bewegt wird.
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Es wird nun vorgeschlagen, was besonders in der 3 gezeigt ist, zwischen dem Motor 301 und dem Getriebe 303 einen Geber, nämlich einen Motorgeber 308 vorzusehen, der die Position und die Drehzahl der Motorwelle misst. Des Weiteren ist ein Geber, nämlich ein Ritzelgeber 306 auf dem Ritzel angeordnet, der die Position und die Drehzahl des Ritzels misst.
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Das Getriebe 303 ist üblicherweise strukturdynamisch recht „weich", so dass während der Drehbewegung des Systems 300 eine messbare Abweichung zwischen der Position 316 der Motorwelle 302 und der mittels der Übersetzung auf die Motorwelle rückgerechnete Position 318 des Ritzels 308 besteht. Des Weiteren besteht während einer positiven bzw. negativen Beschleunigung des Systems 300 eine entsprechende Abweichung in der Drehzahl von Motorwelle und Ritzel, wobei sich auch das auf umgerechnete Werte bezieht.
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Diese Informationen, also Position und Drehgeschwindigkeit von Motorwelle und Ritzel, werden einer Logik, wie der Logikeinheit 320, zugeführt, welche die Abweichungen zwischen Motorwelle und Ritzel, umgerechnet auf die Motorseite, für den entsprechenden Motor ermittelt.
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Diese Auswertung wird für jeden Motor mittels der zugehörigen Logikeinheit durchgeführt.
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Bei einer gleichmäßigen Momenteneinleitung, wenn also alle beteiligten Motoren das gleiche Moment in den Zahnkranz einleiten, sind die von der Logikeinheit ermittelten Abweichungen identisch.
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Demnach deutet eine Abweichung darauf hin, dass die Momenteneinleitung der einzelnen Motoren nicht identisch ist und somit der Zahnkranz ungleichmäßig belastet wird.
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Stehen jeder Logikeinheit nun die Abweichungen der anderen Logikeinheiten zur Verfügung, kann über einen entsprechenden Korrekturalgorithmus ein Korrekturwert für den entsprechenden Motor berechnet werden.
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Ziel ist es, über diesen Korrekturwert wieder eine gleichmäßige Momenteneinleitung in den Zahnkranz zu erhalten.
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Der Korrekturwert wird der Motoransteuerung/-regelung zugeführt, die diesen entsprechend verarbeitet und die Ansteuerung des Motors somit entsprechend ändert.
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Die vorliegende Erfindung dient also dazu, die Momenteneinleitung über Blattverstellmotoren zu optimieren. Hierbei bedeutet optimieren, dass alle Blattadapter bzw. Blattflansche eines Rotorblattes möglichst das gleiche Moment einbringen. Durch diese vorgeschlagene gleichmäßigte Momenteneinleitung werden im Wesentlichen die Querkräfte im Pitchlager reduziert bzw. bei optimaler Wirkweise des Verfahrens eliminiert. Dadurch sinken die Belastung bzw. die Beanspruchungen des Pitchlagers, was wiederum die Lebensdauer erhöht.
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Weiterer positiver Effekt ist eine gleichmäßige Beanspruchung der Verstellmotoren, was einen gleichmäßigeren Verschleiß der Motoren zur Folge haben kann, insbesondere werden die mechanischen und thermischen Belastungen der Motoren vergleichmäßigt. Es wird auch vermieden, dass ein Verstellmotor besonders stark belastet wird, was im Ergebnis auch insgesamt zu einer Reduzierung des Verschleißes führen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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