DE4402184C2 - Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlagen mit Nennleistungen bis zu mehreren Megawatt - Google Patents

Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlagen mit Nennleistungen bis zu mehreren Megawatt

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Description

Die Erfindung betrifft einen Vielpol-Synchrongenerator für getriebelose Horizontalachsen- Windkraftanlagen der im Patentanspruch 1 angegebenen Art mit Nennleistungen bis zu mehreren Megawatt.
Stand der Technik sind Konzepte für getriebelose Windkraftanlagen mit permanentmagneterregten Synchrongenerator, wie sie in Vortrag L4 der "Eurpoean Community Wind Energy Conference" 1993 in Travemünde mit dem Titel "Muitipole, permanent magnet generator studies and planned prototypes", oder in der Fachzeitschrift Windenergie Aktuell Heft 7/1992 in dem Bericht "Konzepte für getriebelose WKA" vorgestellt wurden. Ausgeführt ist in der oben genannten Leistungsklasse und Bauart bisher nur eine Anlage mit Synchrongenerator und Erregerwicklung der Firma ENERCON, siehe Produktbeschreibung zur ENERCON E40, mit einer Nennleistung von 500 kW. Weiterhin zeigen getriebelose Wind- bzw. Wasserkraftkonverter, wie in GB 2 050 525 A und DE 89 14 379 U1 dargestellt, den Stand der Technik für Einheiten mit kleiner Leistung, die überwiegend für den Einsatz im Wasser vorgesehen sind. In diesen Baugrößen erweist sich die Zusammenführung von Rotor- und Generatorlager aus Konstruktions- und Kostengründen als sinnvoll, zumal die auftretenden Kräfte bei Anlagen der genannten Größenordnung gering sind.
Die heute existierenden Anlagen und Konzepte haben Nachteile: So sind die Generatoren entweder in herkömmlicher Bauweise mit mehrfach geteiltem Gehäuse ausgeführt, wobei der Rotor meist auf einer durch Umlaufbiegung belasteten Welle sitzt, was für die Einhaltung des Luftspaltes ein zusätzliches Problem darstellt, oder der Generator ist einfach geteilt, in Stator und Rotor, wobei jedes dieser Teile unterschiedlichen Baugruppen der Windkraftanlage zugeordnet ist. Insbesondere ist der Rotor an der Nabe der Windkraftanlage und der Stator an den Turmkopf bzw. die Achse der Windkraftanlage angeflanscht. In der zuletzt genannten Bauform kann der Generator nur bei einer Sonderanfertigung verwendet werden.
Die bekannte Situation ist aus der Sicht der Generatorhersteller und der Hersteller der Windkraftanlagen in mehrfacher Hinsicht unbefriedigend. So kann ein bekannter Generator der vorgenannten, letztgenannten Bauweise nicht fertig montiert und funktionsgeprüft ausgeliefert werden. Der Generatorhersteller muß Einfluß nehmen auf die Konstruktion des Windkraftanlagenherstellers, da die Einhaltung des Luftspaltes unbedingt gewährleistet sein muß. Der Generator muß schließlich in seiner Bauform an die von jedem Windkraftanlagenhersteller gewünschte Einbausituation angepaßt werden. Bei den zu erwartenden relativ geringen Stückzahlen ist diese Bauart für einen Generatorhersteller unwirtschaftlich.
Aufbauend auf dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Vielpol-Synchrongenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der sehr einfach aufgebaut und zuverlässig im Betrieb ist und insbesondere in unterschiedlich konzipierte Windkraftanlagen problemlos eingebaut werden kann.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale des Unteransprüche 2 und 3.
Wesen der Erfindung ist die Zusammenfassung der bisher getrennten Komponenten Generator und Nabenlagerung zu einer einzigen Baugruppe, die im Gegensatz zu herkömmlichen Generatorkonzepten vorzugsweise aus lediglich zwei tragenden Bauteilen besteht. Die Anordnung ermöglicht den Einbau der Generator-Baugruppe in unterschiedliche Anlagenkonzepte, z. B. in Anlagen mit Blattverstellung (Pitch-geregelt) und Anlagen mit Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriß (Stall-geregelt). Die Baugruppe stellt somit keine anlagenspezifische Sonderbauform dar und kann von verschiedenen Herstellern von Windkraftanlagen als Zukaufteil geordert werden.
Aufgrund der Bauausführung kann auf eine zusätzliche Lagerung der Nabe mit den Rotorblättern verzichtet werden.
Die Generator-Baugruppe weist vorzugsweise integrierte wichtige Baukomponenten auf, wie Kühlung, Generatordichtung, Bremse und/oder Feststellvorrichtung, Klemmenkasten sowie Schnittstellen zur Signalübertragung und Lagerschmierung.
Insbesondere durch die O-Anordnung der Lagerung mit kleinem Lagerabstand und verformungssteifen Stator und Rotor wird die Einhaltung des Generatorluftspaltes unter allen Belastungszuständen gewährleistet.
Der Synchrongenerator besitzt einen zentralen Durchgang, so daß die daran befestigte Nabe vom Innern des Turmkopfs aus zugänglich ist, zum Einbau von Elementen der Rotorblattverstellung oder zum Ausführen von Wartungsarbeiten.
Zur Integration in eine Windkraftanlage sind insbesondere Anschlußflansche zur Nabe und zum Turmkopf der Windkraftanlage vorgesehen, die eine problemlose, einfache und sichere Montage an einer Windkraftanlage vor Ort ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit Bezug auf den derzeitigen Stand der Technik näher beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen Vielpol-Synchrongenerator in eingebautem Zustand in einer Windkraftanlage in einem schematischen Vertikalschnitt,
Fig. 2 einen Halbschnitt durch die Generatorbaugruppe gemäß Fig. 1 in größerer Einzelheit,
Fig. 3 eine Variante der Generatorbaugruppe ähnlich Fig. 2, und
Fig. 4 eine Ausführung nach dem Stand der Technik, bei der der Generator einfach in Stator und Rotor geteilt ist, wobei jedes dieser Teile unterschiedlichen Baugruppen der Windkraftanlage zugeordnet ist und der Generator in dieser Ausführungsvariante keine eigene Lagerung besitzt.
In Fig. 1 ist in einem schematischen Halbschnitt ein Vielpol-Synchrongenerator 1 in eingebautem Zustand einer getriebelosen Horizontalachsen- Windkraftanlage gezeigt, wobei in Fig. 2 die Einzelheit der Generatorbaugruppe in einem Halbschnitt besonders herausgestellt ist.
Es handelt sich dabei um einen permanenterregten Synchrongenerator mit hoher Polzahl in einer Ausführung als Außenläufer. An den Rotor 11 des Generators ist die Nabe 2 angeflanscht. Der Generator ist über den Anschlußflansch 14 mit dem Turmkopf 3 der Windkraftanlage verbunden. Der Turmkopf 3 ist seinerseits auf dem Turm 4 der Windkraftanlage drehbar gelagert.
Der Vielpol-Synchrongenerator 1 besitzt einen verformungssteif ausgebildeten Rotor 11, die ihrerseits über eine fliegende Lagerung 15 innerhalb des Generators miteinander verbunden sind, die sowohl die Drehbewegung des Rotors abstützt als auch zur Aufnahme extern eingeleiteter Kräfte und Momente dient und dadurch eine zusätzliche Lagerung der Nabe mit den Rotorblättern überflüssig macht. Die Konstruktion, besonders die der Lagerung, ist so ausgelegt, daß der Vielpol-Synchrongenerator als Baueinheit oder Verbindungselement zwischen Turmkopf 3 und Nabe 2 problemlos vor Ort einer Windkraftanlage integriert werden kann. Im Betrieb werden alle vom Wind über die Rotorblätter in die Nabe eingeleiteten Kräfte und Momente aufgenommen und in den Turmkopf 3 weitergeleitet.
Wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Rotor 11 mit Permanentmagneten 10 bestückt. Die Dreiphasenwicklung mit Blechpaketen 9 sitzt auf dem Stator 8. Die fliegende Lagerung 15 zwischen Rotor und Stator ist hier durch zwei räumlich getrennte Kegellager in O-Anordnung mit kleinem Lagerabstand ausgeführt. Die Ausführung der Lagerung 15 in O- Anordnung mit kleinem Lagerabstand verhindert große Durchbiegungen bei großer Steifigkeit, was die Einhaltung des Luftspaltes unter höchsten Beanspruchungen ermöglicht.
In Fig. 3 ist die Lagerung 15 als einteiliges Lager ausgeführt, wobei in dieser Darstellung auch ein Klemmenkasten 7 angedeutet ist, welcher in den Vielpol-Synchrongenerator 1 integriert ist.
Die Baugruppe des Vielpol-Synchrongenerators 1 besteht im wesentlichen aus zwei tragenden Teilen, dem Stator 8 und dem Rotor 11, und es sind in die Baugruppe Kühlung 12, Generatordichtung 5, Bremse und/oder Feststellvorrichtung 6, sowie vorgenannte Klemmenkasten 7 und auch Schnittstellen zur Signalübertragung und Lagerschmierung integriert.
Der Vielpol-Synchrongenerator weist einen zentralen Durchgang 20 mit einem vergleichsweise großen Durchmesser auf. Die Ausführung des Stators 8 mit großem Innendurchmesser läßt eine Wartung von Nabe 2, Rotorblättern 15 und eventuell in die Nabe 2 integrierte Blattverstelleinrichtungen und Meßvorrichtungen vom Innern des Turmkopfes 3 aus zu. Außerdem ist die Durchführung von Antriebselementen zur Blattverstellung möglich.
Durch die ungeteilte Ausführung von Stator 8 und Rotor 11 ist gegenüber herkömmlichen elektrischen Generatoren ein vereinfachter Zusammenbau gewährleistet.
Da die gesamte Windkraftanlage im mechanischen Antriebsstrang nur noch eine Lagerung besitzt, scheiden Fluchtungsfehler aus, wie sie bei Anlagen mit herkömmlicher Bauart auftreten.
Der Einbau der Baugruppe in eine Windkraftanlage wird insbesondere durch die zwei klar definierten Anschlußflansche 13 und 14 zur Nabe bzw. zum Turmkopf 3 erleichtert.
Ersichtlich ermöglicht die Erfindung es Generatorherstellern, einen Vielpol- Synchrongenerator - permanentmagneterregt oder fremderregt - als abgeschlossene und getestete Baugruppe für eine Montage einer Windkraftanlage zu liefern. Die Windkraftanlage kann grundsätzlich unterschiedlich konzipiert sein, sofern die Anschlußflansche 13 und 14 klar definiert sind.

Claims (3)

1. Vielpol-Synchrongenerator für eine getriebelose Horizontalachsen-Windkraftanlage, mit einem Stator (8) und einem Rotor (11) als Innen- oder Außenläufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) und der Rotor (11) über eine fliegende, sowohl die Drehbewegung des Rotors abstützende als auch extern eingeleitete Kräfte und Momente aufnehmende Lagerung (15) innerhalb des Generators (1) miteinander verbunden sind, daß der Stator (8) über einen ersten Flansch (14) mit dem Turmkopf (3) der Windkraftanlage und der Rotor (11) über einen zweiten Flansch (13) mit der Rotornabe (2) verbunden sind, und daß eine zentrale Öffnung (20) im Generator durch die Verbindungen (13) und (14) hindurch vorgesehen ist, über welche die Nabe (2) vom Innern des Turmkopfes (2) aus zugänglich ist.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bremse und/oder eine Feststellvorrichtung (6), in dem Generator (1) integriert sind.
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stator (8) und Rotor (11) verformungssteif ausgebildet sind und die Lagerung (15) zwischen Stator (8) und Rotor (11) in O-Anordnung mit kleinem Lagerabstand ausgeführt ist.
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