DE10255745A1

DE10255745A1 - Direkt angetriebene Windenergieanlage mit im Generator integriertem Lager

Info

Publication number: DE10255745A1
Application number: DE10255745A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Joerck; Reiner Kickert
Original assignee: Kickert Reiner Dr-Ing
Current assignee: Kickert Reiner Dr-Ing
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem an der Spitze eines Turms 10 angeordneten Maschinenträger 9, mit einem an dem Maschinenträger 9 befestigten Generatorstator 7 und einer Rotorblätter 1 tragenden Nabe 2, 12, bei der ein Generatorläufer 3 an dieser Nabe 2 befestigt ist. DOLLAR A Zur Vereinfachung des Aufbaus sowie zur Reduzierung des Gewichts der am Turmkopf angeordneten Komponenten der Windenergieanlage ist vorgesehen, dass der Generatorläufer 3 oder die mit dem Generatorläufer 3 verbundene Nabe 2 radial zwischen und/oder axial neben dem Generatorstator 7 und Generatorläufer 6 gelagert ist und sich dabei auf dem Statorgehäuse 8 abstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkt angetriebene und damit getriebelose Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige direkt angetriebene Windenergieanlagen haben den Vorteil, dass durch vergleichsweise kurze Lastpfade zwischen deren Rotorblätter und dem Windkraftanlagenturm ein Leichtbau der lastaufnehmenden Bauteile möglich ist, die die Rotorblätter sowie die Generatorteile tragenden.
Bei bisher bekannten Windenergieanlagen stellt das zwischen der Rotornabe und dem Generator angeordnete Getriebe eine ganz erhebliche Fehlerquelle dar. Getriebelose Anlagen gewinnen daher zunehmend an Interesse. Ein Nachteil bisher bekannter direkt angetriebener Windenergieanlagen ist ihr gegenüber anderen Windenergieanlagen mit Getriebe deutlich größeres Gondelgewicht, das zudem mit zunehmender Anlagengröße auch noch überproportional zunimmt. Bei sehr großen Anlagen der 5 MW Klasse ist dieses z.B. um etwa den Faktor zwei größer als bei sogenannten Hybridanlagen mit nur einer Getriebestufe. Die Reduktion des Gondelgewichts ist für die wirtschaftliche Realisierung von großen direkt angetriebenen Anlagen daher von entscheidender Bedeutung.
Hinsichtlich des Gondelgewichts sind im wesentlichen die drei Baugruppen Rotorblätter, Generator und Kraftübertragungselemente wie Rotornabe, Lagerung und Maschinenträger zu optimieren.
Zur Reduzierung des Rotorblattgewichts und damit auch der in Kraftflussrichtung nachfolgenden Komponenten bieten sich auf neueren Werkstofftechnologien basierende Leichtbautechniken an. Dieser Ansatz wird z.B. mit dem gezielten Einsatz von Kohlefasern umgesetzt, hier aber nicht weiter betrachtet.
Hinsichtlich des Generators lassen sich Gewichtsersparnisse zunächst durch Erhöhung der Kraftdichten erzielen. Neben einer geeigneten Auslegung des magnetischen Kreises können die Kraftdichten aber auch mechanisch durch Verringerung des Luftspalts erhöht werden. Dieser Ansatz wird im folgenden zusammen mit einer Optimierung des Lastpfades von den Rotorblättern zum Turm weiterverfolgt.
Deutliche Gewichtsersparnisse lassen sich durch eine verbesserte Ankopplung der Rotornabe an den Generator bzw. der Einkopplung der Rotorblattkräfte in den Generator erzielen. Eine Möglichkeit ist hier durch den Einsatz von Hohlwellen gegeben. Auf zwei Lagern beruhende Hohlwellen-Lösungen sind in DD 261 395 A1 und US 6,285,090 B1 bekannt, wobei sich letzteres Patent auf eine Ausbildung des Generators als Scheibenläufer bezieht.
Um den Aufwand für die Lagerung weiter zu reduzieren, wurden auch vermehrt sogenannte Einlagerkonzepte realisiert, bei denen ein einziges Lager die von den Rotorblät tern kommenden Kräfte und Kippmomente aufnimmt. Hierzu sind Windenergieanlagen mit Getrieben bekannt, bei denen dieses Lager als Hauptlager der ersten Getriebestufe ausgebildet ist.
Bei direkt angetriebenen Anlagen muss dieses Lager zusätzlich noch die vom Generator herrührenden Kräfte und Momente aufnehmen. In diesem Zusammenhang wird auf die WO 01/98655 A1 für Außenläufer-Generatoren mit axialem Feld und auf die DE 101 02 255 A1 für Systeme mit radialem Feld und innen laufendem Rotor hingewiesen. In beiden Fällen ist der Lagerdurchmesser allerdings deutlich kleiner als der mittlere Durchmesser des Generatorluftspaltes. Entsprechend viel Materialeinsatz ist erforderlich, um die Rotorblattkräfte in den Generator einzukoppeln.
Weiterhin kommt bei Scheibenläufern erschwerend hinzu, dass hohe axiale Kräfte im Fall einer unsymmetrischen Läuferposition abgefangen werden müssen. Dies erfordert eine sehr steife und damit auch schwere Bauweise des Generatorläufers.
Da sich die beiden zuletzt genannten Windenergieanlagen prinzipiell nur dadurch unterscheiden, dass in der WO 01/98655 A1 eine Einlagerlösung für einen Außenläufer und in der DE 101 02 255 A1 für einen Innenläufer angeben ist, wird bei der weiteren Diskussion des Standes der Technik auf Generatoren mit vorzugsweise radialer Feldanordnung Bezug genommen.
Bei der in der DE 101 02 255 A1 gezeigten Windenergieanlage beträgt der Lagerdurchmesser nur ca. ¼ des Luftspaltdurchmessers. Die Übertragung des Antriebsmomentes erfolgt von der Rotornabe über einen den Generatorläufer tragenden Läuferstern und einen den Generatorstator tragenden Generatorstern zurück auf den Maschinenträger. Diese Lösung führt allein schon durch das Abfangen der statischen Kräfte und Momente zu einem vergleichsweise hohen Generatorgewicht. Die Beherrschung der schwingungstechnischen Probleme dieser Anordnung treibt zudem das Gewicht der in der Windkraftanlagengondel platzierten Bauteile noch weiter nach oben.
Verbesserungen an dieser aus der DE 101 02 255 A1 bekannten Windenergieanlage lassen sich allenfalls durch eine deutliche Vergrößerung der Lagerdurchmesser erzielen, wie dies beispielhaft in der 1 schematisch dargestellt ist. Bei dieser Windenergieanlage werden die Kräfte der Rotorblätter 1 über die Nabe 2 direkt auf den Generatorläufer 3 übertragen, so dass auf die schweren und auch sonst nicht unproblematischen Generatorsterne in der Windenergieanlage der DE 101 02 255 A1 verzichtet werden kann.
Wie 1 entnehmbar ist, werden bei dieser bekannten Windenergieanlage die Rotorkräfte und Kippmomente über ein Lager 4, eine Achshülse bzw. Hohlachse 5 und den Maschinenträger 9 auf den Turm 10 übertragen. Die Normalkräfte zwischen den Erregerpolen 6 und dem die Wicklung des Generators tragenden Generatorstator 7 betragen etwa das acht- bis zehnfache der ein Moment bildenden Kräfte des Generators. Sie heben sich nur bei vollständig zentrischer Position des Läufers 3 im Generatorstator 7 auf, werden aber bei unsymmetrischer Lage sehr groß und damit nur schwer beherschbar. Diese Normalkräfte werden bei der Windenergieanlage gemäß 1 vergleichsweise unvorteilhaft über das Lager 4, die Hohlachse 5 und dem großen Biegemomenten aus gesetzten Generatorgehäuse bzw. dem Generatorstern 8 abgefangen.
In Kenntnis dieses Standes der Technik und seiner Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung, mittels einer Verkürzung der mechanischen Lastpfade zu einer deutlichen Gewichtsreduktion einer Windenergieanlage im Bereich der Anlagengondel am Turmkopf zu gelangen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Demnach ist bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage vorgesehen, dass an der Spitze eines Windenergieanlagenturms ein Maschinenträger angeordnet ist, bei dem eine Maschinenträgerkonstruktion einen Generatorstator trägt. Darüber hinaus ist am Turmkopf eine die Rotorblätter tragende Nabe angeordnet, die an dem Generatorläufer befestigt ist. Diese Windenergieanlage ist des weiteren so ausgebildet, dass der Generatorläufer oder die mit dem Generatorläufer verbundene Nabe radial zwischen und/oder in unmittelbarer Nähe axial neben dem Generatorstator und dem Generatorläufer gelagert ist, wobei sich dieses Lager auf dem Statorgehäuse abstützt.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass der Generatorläufer im Generatorstator besser als bisher möglich zentriert wird, so dass große, durch Unsymmetrien bedingte Kräfte nicht mehr auftreten können und zudem der Luftspalt zur Erhöhung der Kraftdichte verringerbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Lagerung der Nabe oder des Generatorläufers mit nur einem einzigen Lager, das als Wälzlager oder Gleitlager ausgebildet sein kann. Sofern das Lager ein Wälzlager ist, sollte dieses als Schrägrollenlager, vorzugsweise als zweireihiges Schrägrollenlager ausgebildet sein.
In einer anderen Variante der Erfindung sind wenigstens zwei Lager zur Lagerung des Generatorläufers vorgesehen, die seitlich neben den Wicklungen des Generatorstators und den Erregerpolen des Generatorläufer angeordnet sind.
Sofern die Wahl für die Lagerung der Nabe oder des Generatorläufers auf ein Gleitlager fällt, wird einhydrostatisch ausgebildetes Gleitlager als geeignet angesehen. Dieses Gleitlager kann als segmentiertes Gleitlager ausgebildet sein, das die Polschuhe des Generators integriert ist. Darüber hinaus kann in dem Generator oder neben dem Generator ein trockenes Gleitlager als Notlager zwischen dem Statorgehäuse und dem Generatorläufer angeordnet sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass der Generatorläufer durch eine elektrische Segmentierung des Generatorstators oder bei elektrischer Erregung durch eine sich auf dem Generatorläufer befindliche Erregerwicklung magnetisch gelagert ist. Dabei ist die erforderliche Regelleistung durch Veränderung der Position des Generatorläufers gegenüber dem Generatorstator minimierbar.
Zum einfacheren Transport der Bauteile der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist diese in einer Weiterbildung der Erfindung zumindest hinsichtlich des Generators, der Lager und der Nabe segmentiert aufgebaut.
Eine leichtere Zusammenbaubarkeit am Aufstellort der Windenergieanlage wird in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Rotorblätter in der Nabe 12 in Lagern 18, 19 aufgenommen sind, die zur Aufnahme von konisch Rotorblattholmen 11 ausgebildet und angeordnet sind.
Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass mit Hilfe von in der Nabe und/oder in dem Statorgehäuse angeordneten Zug- und Umlenkvorrichtungen, wie beispielsweise Seilwinden und Umlenkrollen, die konischen Rotorblattholme zur Montage der jeweiligen Rotorblätter an der Nabe in diese hineinziehbar sind. Hierdurch wird eine einfache, kostengünstige und schnelle Montage der Rotorblätter durch „Hineinziehen" der Anschlüsse in die Nabe auch ohne externen Kran möglich, so dass auch unter widrigen Umgebungseinflüssen eine Rotorblattmontage realisierbar ist.
Diese Befestigungs- und Montageform verringert zudem die Kraftdichte insbesondere bei größeren Generator- bzw. Nabendurchmessern und spart zusätzlich Gewicht ein, da die Rotorblätter nun nicht wie bei dem bisher üblichen sogenannten „IKEA-Rotorblattanschluss" an der Nabe befestigt werden, bei dem das Rotorblatt stumpf auf die Nabe aufgesetzt wird. Im Gegensatz zu der in DD 261 395 A1 gezeigten Lösung sollten die Rotorblätter dabei allerdings nicht zylindrisch sondern wie bereits erwähnt konisch ausgebildet sein.
Die eine Windkraftanlage nach dem Stand der Technik sowie zwei erfindungsgemäße Windkraftanlagen sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt. Darin zeigen
1 eine Windenergieanlage in einer Variante des Standes der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem als Innenläufer ausgebildeten Generator sowie mit konventionellem Rotorblattanschluss, und
3 eine Windenergieanlage wie in 2, jedoch mit V-förmigen Generatorstator und Generatorläufer zur Aufnahme eines Gleit- und/oder Magnetlagers sowie mit einem Holm-Rotorblattanschluss.
Bei der in 2 dargestellten Windenergieanlage ist auf dem Kopf des Turmes 10 ein Maschinenträger 9 angeordnet, der um eine senkrechte Achse drehbar ist. An seinem im wesentlichen horizontal ausgerichteten freien Ende ist ein hohlzylindrisches Statorgehäuse 8 befestigt, an dessen Innenumfang die elektrischen Bauteile eines Generatorstators 7 angeordnet sind. In diesen hohlzylindrischen Innenraum des Statorgehäuses 8 ragt ein ebenfalls hohlzylindrischer Generatorläufer 3, auf dessen Außenumfang die Erregerpole 6 des Generators befestigt sind. Die Erregung des Generators kann mittels Spulen oder Permanentmagneten erfolgen.
Darüber hinaus sind Rotorblätter 1 erkennbar, die um ihre Längsachse drehbar an einer Nabe 2 befestigt sind.
Diese Nabe 2 ist ihrerseits an dem Generatorläufer 3 angeflanscht und an der Innenseite des Statorgehäuses 8 über ein Lager 4 gelagert. Ruf diese Weise kann die von den Rotorblättern 1 erzeugte Drehbewegung der Nabe 2 um deren Längsachse an den Läufer 3 des Generators weitergegeben werden.
Da der Maschinenträger 9 und das Lager 4 bei dieser Windenergieanlage mit dem ringförmigen Statorgehäuse 8 verbunden sind, kann auf eine Hohlachse oder Achshülse wie bei der in 1 dargestellte Windkraftanlage mit Vorteil verzichtet werden.
Der Abstand zwischen dem Generatorläufer 3 und dem Generatorstator 7 wird. bei der Windkraftanlage gemäß 2 direkt durch das Lager 4 festgelegt. Hierdurch sind gegenüber der in DE 101 02 255 A1 gezeigten Bauweise deutlich kleinere Luftspalte und damit höhere Kraftdichten im Generator verwirklichbar. Bei der Ausführung des Lagers 4 als Wälzlager kann dieses, wie beispielhaft in 2 gezeigt, direkt neben der Statorwicklung 7 und der Läufererregeregung 6 angeordnet werden. Bei z.B. Transversalflußmaschinen mit mehreren Strängen kann dieses Lager 4 aber auch zentral eingebaut werden.
Es ist nahe liegend, dass der Generator nach dem selben Schema auch als Außenläufer realisiert werden kann. Die Anbindung über den Maschinenträger 9 an den Turm 10 kann statisch bestimmt oder aufgrund der engen Kopplung zwischen Generatorläufer und Generatorstator auch statisch überbestimmt sein.
Bei der in 3 gezeigten Windenergieanlage ist das Lager zwischen dem als Außenläufer ausgebildeten Generatorläufer 13 und dem innen liegenden Generatorstator 16 erfindungsgemäß direkt in den Luftspalt 14 dieser Elektromaschine integriert und vorzugsweise als hydrostatisches Gleitlager oder als Magnetlager ausgeführt. Zur Aufnahme der Kräfte und Momente ist der Luftspalt 14 bei einem Gleitlager wie hier dargestellt vorzugsweise V-förmig ausgebildet, während dieser bei einem Magnetlager auch bogenförmig geformt sein kann.
Ein segmentiertes (hydrostatisches) Gleitlager kann so in die Polschuhe des Generators integriert sein, dass der Luftspalt gegenüber der in DE 101 02 255 A1 gezeigten Anordnung mit Vorteil deutlich reduziert ist. Ebenso kann ein trockenes Gleitlager als Notlager in den Generator integriert werden.
Während ein Gleitlager wie das Lager 4 in 2 auch seitlich neben den Wicklungen des Generators angeordnet sein kann, ist für ein Magnetlager eine integrale Lösung sinnvoll. Um alle sechs Freiheitsgrade der Anordnung regeln zu können, ist, wie 3 schematisch zeigt, die Läuferwicklung vorzugsweise so segmentiert, dass durch Anpassung der Erregung Regelkräfte aufgebracht werden können. Der Mittelwert des Regelstroms und damit die Regelleistung wird durch eine Justierung der Lage des der Erregerpole 17 des Generatorläufers 13 relativ zum Generatorstator 16 minimiert.
Da auch beim Rusregeln von Böen auch nur ein Bruchteil der normalen Erregerleistung erforderlich ist, ist eine wirtschaftliche Realisierung dieser technischen Lösung mög lich. Die Auslegung der Segmentierung und Regelung erfolgt entsprechend dem Können eines diesbezüglichen Fachmanns.
Genauso wie der Leistungsbedarf des Magnetlagers durch eine nicht zentrische Ausrichtung der Rotordrehachse gegenüber dem Generatorstator reduziert werden kann, kann auch ein mechanisches Lager entlastet werden. Dazu wird die Rotordrehachse gegenüber dem Generatorstator so justiert, dass die Generatornormalkräfte im Mittel typische Betriebslasten zumindest teilweise kompensieren. Eine geeignete Ausrichtung der Normalkräfte relativ zur Drehachse kann hier naturgemäß unterstützend wirken.
Der Vorteil der Gleit- und Magnetlager ist zunächst in der gegenüber Wälzlagern vergrößerten bzw. annähernd unbegrenzten Lebensdauer zu sehen. Zudem ist beim Einsatz eines Wälzlagers die Generatorgröße bei dem hier vorgestellten Konzept transportbedingt auf ca. 4 m begrenzt. Bei einer Gleit- oder Magnetlagerung kann hingegen der Generator zusammen mit dem Lager geteilt werden und somit der Straßentransport und die Montage vereinfacht werden.
Weiterhin ist in 3 eine mögliche Ausführungsform eines Blattanschlusses mittels eines Rotorblattholms 11 dargestellt. Im Gegensatz zu konventionellen Lösungen sind hier allerdings zwei Lager 18, 19 erforderlich, deren Abstand zur Erzielung von deutlichen Gewichtsersparnissen naturgemäß möglichst groß sein sollte. Weiterhin ist angedeutet, wie die Rotorblätter 1 auf einfache Weise mit Hilfe eines integrierten Seilzuges 15 in den vorzugsweise konischen Aufnahmeöffnungen der Nabe 12 montiert werden können.
Nicht weiter betrachtet wird hier die Anbindung des Generators an den Turm 10. Neben der üblichen Lagerung wie sie z.B. in DE 101 02 255 A1 gezeigt ist, kann diese auch mit Hilfe von zwei Lagern ähnlich der in DD 261 395 A1 offenbarten Lösung erfolgen.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass eine günstige und den jeweiligen Randbedingungen angepasste Ausgestaltung der Windenergieanlage durch eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Merkmale gefunden werden kann. Die vorgeschlagenen Lösungen sind zudem auf jede Generatoranordnung wie auch Scheibenläufer etc. anwendbar. Ein Konzept für eine wirtschaftliche Anlage ist durch eine Optimierung des Gesamtsystems entwickelbar.

1: Rotorblatt
2: Nabe
3: Generatorläufer
4: Lager
5: Hohlachse
6: Erregerpol
7: Generatorstator
8: Statorgehäuse
9: Maschinenträger
10: Turm
11: Rotorblattholm
12: Nabe
13: Generatorläufer
14: Luftspalt
15: Zugvorrichtung
16: Generatorstator
17: Erregerpol
18: Rotorblattlager
19: Rotorblattlager

Claims

Windenergieanlage, mit einem an der Spitze eines Turms (10) angeordneten Maschinenträger (9), mit einem an dem Maschinenträger (9) befestigten Generatorstator (7, 16), mit einer Rotorblätter (1) tragende Nabe (2, 12), und mit einem Generatorläufer (3, 13), der an der Nabe (2, 12) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorläufer (3, 13) oder die mit dem Generatorläufer (3, 13) verbundene Nabe (2, 12) an einem Ort gelagert ist, der radial zwischen und/oder axial neben den Generatorstator (7, 16) und dem Generatorläufer (3, 13) liegt und sich dabei auf dem Statorgehäuse (8) abstützt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung aus einem einzigen Lager (4) oder aus wenigstens zwei Lagern besteht, die seitlich neben den Wicklungen des Generatorstators (7) und den Erregerpolen (6, 17) des Generatorläufers (3) angeordnet sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (4) als Wälzlager ausgebildet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (4) als Schrägrollenlager, vorzugsweise als zweireihiges Schrägrollenlager ausgebildet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung mittels eines vorzugsweise hydrostatisch ausgebildeten Gleitlagers erfolgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager als segmentiertes Gleitlager ausgebildet ist, das in die Polschuhe des Generators integriert ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 5 oder 6, durch gekennzeichnet, dass ein trockenes Gleitlager als Notlager in den Generator integriert ist.
Windenergieanlage nach Anspruch wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator so zur Drehachse des Nabe (2, 12) ausgerichtet ist, dass die Generatornormalkräfte eine Entlastung des Lagers (4) bewirken.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Lagerung des Generatorläufers (13) durch eine elektrische Segmentierung des Generatorstators (16) oder bei elektrischer Erregung vorzugsweise durch eine sich auf dem Generatorläufer (3, 17) befindliche Erregerwicklung realisiert ist.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Regelleistung durch Veränderung der Position des Generatorläufers (3, 13) gegenüber dem Generatorstator (7, 16) minimierbar ist.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator, die Lager und die Nabe (2, 12) segmentiert aufgebaut sind.
Windenergieanlage nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (1) in der Nabe (12) in Lagern (18, 19) aufgenommen sind, die zur Aufnahme von konisch Rotorblattholmen (11) ausgebildet und angeordnet sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nabe (12) und/oder in den Statorgehäuse (8) Zug- und Umlenkvorrichtungen (15) angeordnete sind, mit denen der konische Rotorblattholm (11) zur Montage des Rotorblatts (1) an der Nabe (12) in diese hineinziehbar ist.