PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60109447T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001292767
Titel Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Windenergie
Anmelder JEUMONT SA, Courbevoie, FR
Erfinder CANINI, Jean-Marc, F-59149 Aibes, FR;
MILET, Yves, F-59740 Solre le Chateau, FR;
BRUTSAERT, Patrick, F-59245 Recquignies, FR
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60109447
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 06.06.2001
EP-Aktenzeichen 019435726
WO-Anmeldetag 06.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/FR01/01747
WO-Veröffentlichungsnummer 0001098655
WO-Veröffentlichungsdatum 27.12.2001
EP-Offenlegungsdatum 19.03.2003
EP date of grant 16.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse F03D 11/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F03D 9/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Windenergie.

Es ist zum Beispiel aus der EP-A-0 864 748 eine Vorrichtung zur Aufnahme durch Wind erzeugter Energie, das heißt, eine Windkraftmaschine bekannt, die einen senkrechten Mast aufweist, der auf dem Boden oder dem Meeresgrund oder auf einer schwimmenden Plattform mit seinem unteren Ende befestigt ist, sowie eine Gondel, die schwenkbar um eine senkrechte Achse auf einem oberen Endbereich des Mastes angebracht ist. An der Gondel ist der sich drehende Teil der Windkraftmaschine um eine im Wesentlichen horizontale oder gegenüber der Horizontalen schwach geneigte Achse drehbar befestigt, der eine Nabe und mindestens zwei auf der Nabe radial bezüglich der Drehachse der Nabe befestigte Flügel aufweist. Die Nabe ist an der Gondel über mindestens ein Lager drehbar gelagert. Die Stromerzeugung aus der Windenergie, die durch den drehbaren Teil der Windkraftmaschine aufgenommen wird, erfolgt durch einen Stromerzeuger, wie beispielsweise einen Wechselstromgenerator, der mindestens einen an der Gondel starr befestigten Stator und mindestens einen an der Nabe des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine befestigten Rotor aufweisen kann.

Ein Problem, welchem sich die Hersteller von Windkraftmaschinen gegenübersehen, bezieht sich auf die Notwendigkeit, große elektrische Leistungen zu erhalten bei gleichzeitiger Begrenzung der Größe des Stromerzeugers, die die Größe der Gondel bestimmt. Es ist bekannt, dass diskusförmige Generatoren, das heißt, Maschinen, welche mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator aufweisen, die sich gegenüberliegende Ringflächen aufweisen, auf denen Magnetelemente oder Elektromagnetelemente angeordnet sind, welche zur Stromerzeugung zusammenwirken, bestimmte Vorteile aufweisen, aufgrund der Tatsache, dass man eine relativ große Nutzfläche der Maschine in einem kleinen Volumen erhalten kann. Diese Vorrichtungen sind insbesondere deshalb von Vorteil, da der Rotor des Generators direkt auf dem sich drehenden Teil der Windkraftmaschine befestigt ist und man so die Verwendung eines mechanischen Getriebes vermeiden kann.

Diese Technik wurde bis heute jedoch im industriellen Maßstab nicht häufig angewandt, aufgrund der Tatsache, dass es schwierig ist, eine drehbare Montage des sich drehenden Teils und des Rotors vorzusehen, derart, dass man den Kräften entgegenwirken kann bzw. die Kräfte auszugleichen, die insbesondere axial auf den sich drehenden Teil wirken, um die Stellung des Rotors bzw. der Rotoren bezüglich der Statorenscheiben zu halten.

Der sich drehende Teil der Windkraftmaschine ist von Wind erzeugten Kräften ausgesetzt, die insbesondere zu einer Verbiegung der Nabe und deren drehbaren Trägerteilen führen, selbst dann, wenn ein oder mehrere Drucklager die Kompensation von Axialkräften sicherstellen, die auf den sich drehenden Teil wirken.

Wenn der Rotor des Generators auf dem sich drehenden Teil der Windkraftmaschine befestigt ist, werden die durch den Wind auf den sich drehenden Teil ausgeübten Kräfte direkt auf den Rotor des Generators übertragen, derart, dass es schwierig ist, die Größe des Luftspalts des Generators klein und genau einzuhalten, wenn eine diskusförmige Maschine eine oder mehrere Rotorscheiben gegenüber einer oder mehreren Statorscheiben aufweist. Außerdem erfahren der sich drehende Teil der Windkraftmaschine und insbesondere der Rotor während des Betriebs alternierende Deformationskräfte, die sich in einer Materialermüdung der verwendeten Teile auswirken.

Es sind andererseits Vorrichtungen zur Stromerzeugung aus Windenergie bekannt, die einen klassischen Wechselstromerzeuger aufweisen mit radialem Fluss, dessen sich drehender Teil drehbar an der Gondel über ein Lager, wie beispielsweise ein Wälzlager, befestigt ist, das wiederum auf einer mit der Gondel fest verbundenen Achse fest verbunden ist, die rohrförmig ausgebildet ist und eine Längsachse aufweist, die gegenüber der Horizontalen leicht geneigt ist. Die Nabe des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine ist mit einem rohrförmigen Träger fest verbunden, der drehbar auf dem Außenring des Lagers montiert ist und den Rotor des radialen elektrischen Stromerzeugers auf einem Endbereich trägt, der gegenüber der die Flügel tragenden Nabe angeordnet ist. In diesem Fall erzeugt der Wind über die Flügel und die Nabe eine Kraft, die dazu neigt, den Rotor um das Lager des sich drehenden Teils bezüglich einer Achse senkrecht zur Lagerachse zu verkippen.

Die die Flügel tragende Nabe ist mit Überstand am Lager befestigt und übt außerdem ein großes Drehmoment auf das Lager und die Trägerkonstruktion der Windkraftmaschine aus.

Da man heute auf dem Markt sehr leistungsfähige Permanentmagnete erhält, ist es möglich, die Herstellung von diskusförmigen Stromerzeugern vorzusehen, mit einem Rotor, der die Permanentmagnete trägt. In diesem Fall kann man Rotoren und Statoren diskusförmiger Maschinen herstellen, so dass das Gewicht und die Gesamtlänge der Stromerzeuger begrenzt ist. Die Herstellung einer Windkraftmaschine mit einem Aufbau, der es ermöglicht, einen diskusförmigen Stromerzeuger mit Permanentmagneten zu verwenden, stellt somit einen sehr großen Vorteil dar.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Windenergie vorzuschlagen, mit einem senkrechten Mast, der auf einer Tragfläche, wie dem Boden, dem Meeresgrund oder einer schwimmenden Plattform mit einem unteren Endbereich befestigt ist, mit einer Gondel, die schwenkbar um eine senkrechte Achse auf dem oberen Endbereich des Mastes angebracht ist, mit einem sich drehenden Teil, der eine Nabe und mindestens zwei Flügel aufweist, die in im Wesentlichen radialen Richtungen auf der Nabe befestigt sind, mit mindestens einem Drehlager für den sich drehenden Teil der Gondel, das eine gegenüber der Horizontalen schwach geneigte Achse aufweist und mit einem elektrischen Stromerzeuger, der mindestens einen mit der Gondel fest verbundenen Stator und mindestens einen Rotor aufweist, der durch ein Befestigungselement, das im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Teil ist, fest mit der Nabe des sich drehenden Teils verbunden ist, wobei diese Vorrichtung es erlaubt, eine hohe Stromleistung bei kleinem Volumen der Gondel zu erzeugen.

Zu diesem Zweck:

  • – weist der Rotor und der Stator jeweils mindestens einen aktiven scheibenförmigen Bereich auf, der sich gegenüberliegende elektromagnetische Elemente trägt,
  • – ist der sich drehende Teil schwenkbar auf der Gondel angebracht, durch ein einziges Lager, dessen Durchmesser um mindestens 20% geringer ist als der Durchmesser eines Kreises, der in einem rechten Segment eingeschrieben ist, das senkrecht zur Achse des sich drehenden Teils einer Fläche steht, die von Anschlusszonen der Flügel auf der Nabe gebildet wird, und
  • – ist das Befestigungselement des Rotors auf der Nabe in Bezug auf das Lager in axialer Richtung des Lagers benachbart angeordnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im Folgenden eine Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügte Figur erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine teilweise vertikal geschnittene Seitenansicht des oberen Teils einer Windkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung.

Der obere Teil einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.

Die Windkraftmaschine 1 weist einen vertikalen Mast 2 auf, von dem lediglich der obere Endbereich in 1 gezeigt ist.

Der Mast 2, von dem lediglich der obere Bereich in 1 gezeigt ist, kann eine sehr große Höhe aufweisen, beispielsweise eine Höhe der Größenordnung 40 bis 50 m, wobei der untere Bereich des Mastes in einem Fundament auf dem Boden des Ortes zur Windenergieerzeugung befestigt ist oder auf dem Meeresboden oder auf einer schwimmenden Plattform im Fall einer Anordnung auf dem Meer.

Auf dem oberen Teil des in 1 gezeigten Mastes 2 ist eine Gondel 3 montiert, die einen Boden 3a aufweist, der drehbar auf dem oberen Bereich des Mastes 2 über einen Laufkranz 4 befestigt ist und mit Klammern gehaltert ist, so dass die Gondel 3 drehbar um die vertikale Achse des Mastes 2 gelagert ist und von dem oberen Ende des Mastes 2 getragen wird. Eine Scheibenbremse 5 weist Bügel 6 auf, die entlang des Umfangs eines mit dem Boden 3a befestigten Kranzes verteilt sind und es ermöglichen, die Gondel zu bremsen, während sich diese um die Vertikalachse des Mastes 2 dreht, gesteuert durch untersetzte Antriebsmotorgetriebe 6'.

Die Gondel 3 weist eine geformte Hülle 7 auf, die den Schutz der Bestandteile der Windkraftmaschine gewährleistet, die in der Gondel angeordnet sind.

Der Boden 3a der Gondel stellt insbesondere das Tragen des Hauptchassis 8 der Gondel und der Hydraulikzentrale 29 zur Versorgung der Bremse 6 des Orientierungssystems der Gondel um die Vertikalachse des Mastes und einer Bremse, die das Verlangsamen und das Anhalten eines sich drehenden Teils 10 der Gondel sicher, was im Folgenden beschrieben wird, sowie des Kühlsystems des Stromerzeugers der Windkraftmaschine, eines Gehäuses, welches die Steuerelektronik der Windkraftmaschine enthält und eines Gehäuses, das einen elektrischen Stromwandler beinhaltet, zur Wandlung des von dem Stromerzeuger erzeugten Stroms sowie verschiedene Steuer- und Regelungselemente für den Betrieb der Windkraftmaschine.

Auf dem Hauptgestell 8 der Gondel ist über ein zylinderförmiges Verbindungsstück 8a das Traggestell 9 des Stators 17 des Stromgenerators befestigt, welches die Form eines kegelstumpfförmigen Rohres aufweist. Das zylinderförmige Verbindungsstück 8a und das Tragegestell 9 des Stators des Stromgenerators sind mit ihren Achsen fluchtend und leicht gegenüber einer Horizontalen geneigt angeordnet und in einer Verbindungsebene 11, welche leicht gegenüber einer senkrechten Ebene geneigt ist, miteinander verbunden.

Die Windkraftmaschine weist einen sich drehenden Teil auf, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist und im Wesentlichen eine Nabe 13 aufweist, die drehbar um die gemeinsame Achse des Traggestells 9 und des Verbindungsteils 8a leicht gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist, und mittels eines einzigen Lagers 15 gelagert ist, welches vorzugsweise ein großes Wälzlager ist.

Auf der Nabe 13 sind die Flügel 14 des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine angeordnet, an welchen die Windkraft angreift und den drehbaren Teil 10 der Windkraftmaschine dreht.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Nabe 13 drei ebene Befestigungsringzonen für je einen Flügel 14 auf, die um die Achse der Nabe jeweils um etwa 120° winkelversetzt auf drei ebenen Flächen der Nabe 13 angeordnet sind, welche eine prismatische Oberfläche bilden, deren Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse des drehbaren Teils 10 ein gleichseitiges Dreieck bildet, welches in einer Ebene senkrecht zur Achse der Nabe und zu dieser zentriert angeordnet ist.

Der drehbare Teil 10 der Windkraftmaschine weist ebenfalls den Rotor 16 des Stromgenerators 12 der Windkraftmaschine auf, deren Stator 17 auf dem Traggestell 9 über einen Ringflansch 18, der senkrecht zur Achse des Traggestells 9 ausgerichtet ist, befestigt.

Der Rotor 16 und der Stator 17 weisen jeweils zwei Elemente 16a, 16b bzw. 17a, 17b auf, deren aktive Bereiche in Form von Scheiben ausgebildet sind, die sich gegenüberliegend angeordnet sind. Der Doppelrotor 16 weist zwei aktive Flächen in Form von Scheiben auf, von denen eine auf dem Element 16a gegenüber der aktiven Fläche des Elements 17a des Stators angeordnet ist und wobei die andere Scheibe auf dem Element 16b gegenüber der aktiven Fläche des Elements 17b des Stators angeordnet ist. Die Elemente 17a und 17b des Stators sind zur einen und zur anderen Seite eines Trägers angeordnet, der mit dem Befestigungsflansch des Stators am Traggestell 9 fest verbunden ist.

Auf den aktiven Flächen der Elemente 16a und 16b des Doppelrotors 16 sind aufeinander folgend entlang dem Umfang der aktiven Flächen Permanentmagnete 19 und 19' angeordnet, die beispielsweise Magnete aus einem Material wie Neodyneisenbor hergestellt sein können.

Die aktiven Flächen der Elemente 17a und 17b des Stators, welche gegenüber den aktiven Flächen der entsprechenden Elemente 16a und 16b des Rotors angeordnet sind, bestehen aus in Ausnehmungen eines Statorkerns eingefügten Spulen, die aus einem Band magnetischen Blechs bestehen, welches auf sich selbst aufgewickelt ist.

Die Verwendung von Permanentmagneten auf den aktiven Flächen des Rotors erlaubt es, einen elektrischen Generator 12 herzustellen, der eine sehr geringe Polteilung aufweist. Dadurch vermindert man somit die Masse und den Umfang des Stromgenerators 12 bei vorgegebener elektrischer Leistung.

Die Magneten 19 und 19' der Elemente 16a und 16b des Doppelrotors 16 haben eine geringe Dicke relativ zu der Summe der Dicken der Elemente 16a und 16b des Rotors, wobei der größte Teil der Masse des Rotors aus einer Stahlarmatur besteht, auf der die Permanentmagnete gelagert sind, wobei die Stahlarmatur die mechanische Festigkeit des Rotors gewährleistet.

Die Elemente 16a und 16b des Rotors sind miteinander entlang des äußeren Umfangsbereichs des Rotors im Wesentlichen ringförmig derart miteinander verbunden, dass die aktiven Flächen der Elemente 16a und 16b des Rotors, der die Permanentmagnete 19 und 19' trägt, sich gegenüber und mit einem Abstand, der größer ist als die Gesamtdicke des Stators 17, befinden. Auf diese Weise kann der Aufbau des Stromgenerators 12, wie in der Figur gezeigt erstellt werden, wobei die Elemente des Rotors 16 den Stator 17 überlappen, der zwischen den Elementen 16a und 16b des Rotors 16 eingebaut ist. Man erhält somit einen kompakten Aufbau des Stromgenerators mit einer Gesamtnutzfläche, die der Summe der aktiven Flächen der Statorelemente und Rotorelemente entspricht.

Die Armatur des Elements 16a des Rotors, welche nach vorne gebaut ist, das heißt, auf die Nabe 13 und die Flügel 14 der Windkraftmaschine zu, ist fest mit einem Flansch 20 verbunden, der im Wesentlichen ringförmig ist, und mittels dessen die Befestigung des Rotors 16 auf der Nabe 13 und auf dem inneren sich drehenden Teil des Lagers 15 gewährleistet wird.

Das Lager 15, in Form eines Wälzlagers, weist einen äußeren Teil oder Außenring auf, der fest mit dem unteren Ende des Traggestells 9 verbunden ist, in Koaxiallage zu dem Traggestell 9 und einem inneren Teil oder Innenring, der drehbar bezüglich des Außenrings über die Wälzlager des Lagers 15 angeordnet ist.

Der Zusammenbau der Nabe 13 und des Rotors 16 mit dem Befestigungsflansch 20 und dem drehbaren Innenring des Lagers 15 ist beispielsweise mittels Klammern gewährleistet, die eine steife und widerstandsfähige Montage gewährleisten. Die Montage erfolgt so, dass die die Flügel 14 tragende Nabe, der Rotor und das Lager 15 perfekt koaxial zueinander ausgerichtet sind.

Das Lager 15 ist ein sehr großes Wälzlager, dessen Durchmesser im Wesentlichen gleich oder etwas kleiner ist als der Durchmesser des Kreises, der in das gleichseitige Dreieck eingeschrieben ist und den Querschnitt der prismatischen Fläche bildet, die durch die ebenen Verbindungsflächen der Flügel 14 auf der Nabe 13 gebildet werden. In jedem Fall ist der Durchmesser des Lagers, das heißt, der Durchmesser des Kreises, der durch die Mittelpunkte der Wälzelemente verläuft, nur wenig kleiner, das heißt, weniger als 20% kleiner oder vorzugsweise weniger als 10% kleiner als der Durchmesser des Kreises, der in den Querschnitt einer Oberfläche eingeschrieben ist, die durch die Verbindungsbereiche der Flügel gebildet ist.

Außerdem weist, wie in der Figur zu sehen ist, der ringförmige Verbindungsflansch 20 des Rotors 16 einen inneren Bereich auf, der zwischen der Nabe 13 und dem drehbaren inneren Ring des Lagers 15 angeordnet ist, auf, der unmittelbar benachbart zum Lager 15 in gemeinsamer Axialrichtung des Lagers 15, des Rotors 16 und der Nabe 13 angeordnet ist.

Das Befestigungselement 20 des Rotors ist fest mit der Nabe 13 und dem Lager 15, beispielsweise über Klammern, verbunden.

Die Gesamtheit der empfindlichen Bestandteile der Windkraftmaschine, die sich in der Gondel befinden, ist durch die Hülle der Gondel 7 geschützt, die einen vorderen Teil 7a aufweist, der mit dem sich drehenden Teil 10 der Windkraftmaschine fest verbunden ist. Es wird eine Dichtheit gewährleistet zwischen dem Teil der Hülle, der mit dem Gerüst 3a der Gondel fest verbunden ist, und dem Teil der Hülle 7, die mit dem sich drehenden Teil 10 der Windkraftmaschine fest verbunden ist.

Die Flügel 14 der Windkraftmaschine sind auf der Nabe 13 montiert, entweder starr oder derart, dass sie automatisch in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine orientierbar sind und ein Auskuppeln erfolgen kann, wenn die Drehgeschwindigkeit der Windkraftmaschine oder die Windgeschwindigkeit einen kritischen Wert überschreiten. Man erhält auf diese Weise eine vollkommene Sicherheit des Betriebs der Windkraftmaschine.

Die Verwendung eines einzigen Lagers 15 mit großen Ausmaßen für die Montage des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine und die hohle Ausgestaltung des Traggerüsts des Stators und des Lagers 15 erlauben es einem Operateur 21, in das Innere von dem Gestell 3a aus, in die Bereiche der Verbindung der Flügel 14 auf der Nabe 13 einzutreten, um beispielsweise Kontrollen oder Reparaturen auszuführen.

Jeder der Flügel 14 der Windkraftmaschine weist einen Endbereich 14a auf, der automatisch um die Längsachse in Radialrichtung des Flügels 14 mittels eines Gestänges orientierbar ist. Somit wird eine aerodynamische Bremsung des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine erreicht, wobei das Ende 14a der Flügel 14 der Windkraftmaschine durch Verschwenkung um die Längsachse des Flügels, gesteuert von einem Hauptsteuersystem der Windkraftmaschine in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit oder von der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Teils 10 oder im Fall einer zu hohen Geschwindigkeit des sich drehenden Teils mittels Zentrifugalkräften verstellt wird.

Die Windkraftmaschine weist ebenfalls eine mechanische Bremse 22 auf, die als Scheibenbremse ausgeführt ist, deren Scheibe fest mit dem Element 16b des Rotors 16 verbunden ist und die koaxial bezüglich des Rotors angeordnet ist. Die Scheibenbremse 22 weist ferner eine Mehrzahl von Flügeln auf, die entlang des Außenumfangs des Verbindungsteils 8a des Hauptgestells 8 der Gondel angeordnet sind, derart, dass sie mit der am Rotor befestigten Scheibe in Eingriff kommen, um die Bremsung des Rotors und der Gesamtheit der Teile des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine zu bewirken oder gegebenenfalls das Anhalten der Windkraftmaschine.

Die Kombination der aerodynamischen Bremsung und der mechanischen Bremsung erlaubt es, die Betriebssicherheit der Windkraftmaschine zu erhöhen. Außerdem ermöglicht es die Integration der Scheibenbremse im Rotor des Stromgenerators 12 der Windkraftmaschine, Platz sparend zu bauen und Platz im Inneren der Gondel zu sparen.

Außerdem weist die Gondel zur Steuerung und Kontrolle der Windkraftmaschine eine Antenne auf, auf der ein Windrichtungsanzeiger 23 und ein Anemometer angeordnet sind, die es ermöglichen, die Windrichtung und Windgeschwindigkeit präzise zu bestimmen.

Die Orientierung der Windkraftmaschine gegenüber dem Wind wird mit Hilfe einer Servosteuerung ausgerichtet, ausgehend von einer Information von dem Windrichtungsanzeiger 23. Wenn ein Winkelunterschied größer als ein bestimmter Grenzwert zwischen der Winkelposition der Windkraftmaschine und der Windrichtung von den Windrichtungsanzeigern erfasst wird, werden elektrische Servomotoren betätigt, um die Gondel senkrecht um die Achse des Mastes 2 derart zu drehen, dass der vordere Bereich der Gondel in Windrichtung steht. Die Drehbewegung der Gondel wird durch die Scheibenbremsen 5, 6 amortisiert und hydraulisch gebremst. Die Gondel kann sich bis zu einer bestimmten Anzahl von Umdrehungsbruchteilen drehen, beispielsweise drei Umdrehungen, bevor ein automatisches Programm die Windkraftmaschine anhält, um sie wieder in ihre Ausgangsposition zu bringen. Dieses automatische Programm ermöglicht es zu verhindern, dass Beschädigungen aufgrund eines zu häufigen Aufrollens der Kabel erfolgt, die die Gondel 3 mit dem Mast 2 verbunden.

Während die Windkraftmaschine in Betrieb ist, ist ihr Vorderteil in Windrichtung ausgerichtet und der drehbare Teil wird durch die Windkraft auf die Flügel 14 in Rotation versetzt. Der Rotor 16 dreht sich bezüglich des Stators 17 und erzeugt ein Drehfeld, welches elektromagnetische Kräfte in den Wicklungen des Stators erzeugt. Strom wird gewonnen und in einer Starkstromelektronik umgeformt, derart, dass er elektrischen Strom an ein Netz liefern kann. Die elektronische Steuerung des Generators der Windkraftmaschine ermöglicht es, die elektronischen Leistungsschaltungen zu steuern, um an ein Netz einen Strom mit konstanter Frequenz zu liefern, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine und somit den Betrieb des Generators in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Windes und des sich drehenden Teils 10 der Windkraftmaschine zu gewährleisten.

Der Rotor 16 des Stromgenerators 12, welcher fest mit der Nabe 13 verbunden ist, die die Flügel 14 trägt, wird somit direkt mit der Geschwindigkeit des sich drehenden Teils angetrieben, was jede Verwendung einer mechanischen Transmission, wie beispielsweise einem Getriebe, vermeidet.

Die Änderungen der Geschwindigkeit des sich drehenden Teils 10 der Windkraftmaschine werden durch die Leistungselektronik kompensiert, welche es ermöglicht, den von dem Stromgenerator 12 erzeugten Strom zu transformieren.

Der Wind übt nicht nur Kräfte aus, die es ermöglichen, den drehbaren Teil der Windkraftmaschine zu drehen, sondern auch Kräfte in Axialrichtung, die aufgenommen werden müssen, um jede Verschiebung und jede Deformation der Bestandteile des sich drehenden Teils der Windkraftmaschine, insbesondere des Rotors 16, zu verhindern.

Die steife Verbindung der Nabe 13 mit dem sich drehenden Ring des Lagers 15 erlaubt eine unmittelbare Aufnahme der Axialkräfte am Lager 15, durch das Traggerüst der Gondel, welches das Traggerüst 9 und das Hauptgerüst 8 umfasst. Es erfolgt somit keinerlei Verschiebung der Elemente des Rotors in Axialrichtung derart, dass der Luftspalt perfekt konstant gehalten werden kann.

Der Luftspalt zwischen den Rotorelementen und den Statorelementen kann so geregelt werden, dass der Stator auf dem Rotor magnetische Kräfte in Axialrichtung ausübt, die mindestens teilweise die Windkraft in Axialrichtung kompensieren. Das Lager 15 erfährt somit minimale Belastungen. Außerdem kann der Abstand längs der gemeinsamen Achse der Nabe und des Lagers 15 auf einen sehr kleinen Wert eingestellt werden, derart, dass die Nabe 13 und die Flügel 14 benachbart zum Lager 15 nur sehr wenig gegenüber dem Lager 15 vorstehen, was zusätzlich Belastungen des Lagers 15 reduziert.

Die Befestigung des Rotors 16 auf der Nabe 13 und dem sich drehenden Teil des Lagers in einer Stellung unmittelbar anschließend an das Lager erlaubt ferner, die Deformation und Ermüdungserscheinungen, die durch den Betrieb des Rotors 16 auftreten können, zu reduzieren.

Wenn der Wind eine Biegekraft auf die Nabe 13 über die Bügel 14 um eine Achse senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Teils 10 der Windkraftmaschine ausübt, erfährt der Rotor 16 eine sehr geringe, praktisch vernachlässigbare Verschiebung, daher, dass er mit der Nabe 13 in einer Lage verbunden ist, die sich unmittelbar an das Lager 15 anschließt. Das Lager 15 nimmt die Biegekräfte auf, ohne dass diese an den Rotor 16 weitergegeben werden. Auf diese Weise vermeidet man jegliche Verschiebung des Rotors 16, was den Luftspalt verändern würde und gegebenenfalls zu einer Beschädigung des Rotors durch Ermüdungserscheinungen führen könnte.

Wie oben beschrieben, liegt ein Vorteil der Montage des sich drehenden Teils 10 der Windkraftmaschine auf dem festen Teil über ein Lager großen Durchmessers mit einer Befestigung des Rotors des Stromgenerators in einer Stellung unmittelbar benachbart zum Lager darin, dass eine direkte Kraftübertragung von Kräften, die durch den Wind auf den sich drehenden Teil ausgeübt werden, auf den starren Teil der Gondel 3, ohne über das Gestell des Stromgenerators zu erfolgen, der somit geringeren Kräften ausgesetzt ist und der leichter gebaut werden kann. Andererseits ist das Wälzlager, welches das Lager 15 darstellt, konstant kraftbeaufschlagt und ein Risiko einer vorzeitigen Ermüdung aufgrund einer zu geringen Kraftbeaufschlagung der Elemente des Wälzlagers wird somit vermieden.

Außerdem wird das Funktionieren des Wälzlagers, welches das Lager 15 darstellt, durch ein automatisches Schmiersystem gewährleistet, welches es erlaubt, in jedem Moment das ausreichende Vorhandensein von Schmiermitteln an jeder Stelle des Wälzlagers zu gewährleisten, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit.

Das Gerüst der Windkraftmaschine besteht aus mehreren Untergruppen, die in Verbindungsebenen mit Verbindungsflanschen miteinander verbunden sind.

Eine erste Untergruppe weist das Hauptgerüst 8 auf, welches fest mit dem Boden 3a verbunden ist und die verschiedenen oben angegebenen Bestandteile umschließt und das drehbar um eine vertikale Achse auf dem oberen Teil des Mastes 2 auf der Höhe der ersten Verbindungsebene befestigt ist. Die erste Untergruppe ist an einer zweiten Untergruppe durch Flansche in der Ebene der Verbindung 11 verbunden.

Die zweite Untergruppe, welche das Traggerüst 9 und den Generator 12 umfasst, besteht aus dem Stator 17 und dem Rotor 16 und dem Lager 15 und ist mit Flanschen an der ersten Untergruppe in der Ebene der Verbindung 11 verbunden und auf der Höhe des Lagers 15 mit einer dritten Untergruppe, die neben der Nabe 13 und den Flügeln 14 des drehbaren Teils 10 alle zugehörigen Elemente aufweist, wie die Bestandteile der aerodynamischen Bremse. Die durch den Wind auf die dritte Untergruppe ausgeübten Kräfte werden durch die erste Untergruppe über die zweite Untergruppe aufgenommen.

Die erste Untergruppe umschließt ebenfalls verschiedene Elemente, wie den Konverterkasten, den Steuerkasten der Windkraftmaschine und die Schmier- und Kühlorgane.

Der sich drehende Teil 10 der Windkraftmaschine ist am Ende des Traggerüsts 9 über das Lager 15, dessen Innenring und dessen Außenring jeweils mit dem sich drehenden Teil und mit dem Traggerüst 9 verbunden sind, verbunden.

Die Gesamtheit der auf den sich drehenden Teil ausgeübten Kräfte wird auf der Höhe des Lagers 15 durch den mit dem Boden fest verbundenen Teil der Gondel aufgenommen.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Windenergie, mit einem senkrechten Mast (2), der durch einen unteren Endbereich auf einer Tragfläche befestigt ist, mit einer Gondel (3), die schwenkbar um eine senkrechte Achse auf einem oberen Endbereich des Mastes (2) angebracht ist, mit einem sich drehenden Teil (10), der eine Nabe (13) und mindestens zwei Flügel (14) aufweist, die in im Wesentlichen radialen Richtungen auf der Nabe (13) befestigt sind, mit mindestens einem Drehlager (15) für den sich drehenden Teil (10) der Gondel (3), die eine im Wesentlichen horizontale Achse aufweist, mit einem elektrischen Stromerzeuger (12), der mindestens einen mit der Gondel (3) fest verbundenen Stator (17) und mindestens einen Rotor (16) aufweist, der durch ein Befestigungselement (20), das im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des sich drehenden Teils (10) ist, fest mit der Nabe (13) des sich drehenden Teils (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass:

    – der Rotor (16) und der Stator (17) jeweils mindestens einen aktiven scheibenförmigen Bereich aufweisen, der sich gegenüberliegende elektromagnetische Elemente (19, 19') trägt,

    – der sich drehende Teil (10) schwenkbar auf der Gondel (3) angebracht ist, durch ein einziges Lager (15), dessen Durchmesser um mindestens 20% geringer ist, als der Durchmesser eines Kreises, der in einem rechten Segment eingeschrieben ist, das senkrecht zur Achse des sich drehenden Teils (10) einer Fläche steht, die von Anschlusszonen der Flügel (14) auf der Nabe (13) gebildet wird, und

    – das Befestigungselement (20) des Rotors (16) auf der Nabe (13) in Bezug auf das Lager (15) in axialer Richtung des Lagers (15) benachbart angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (20) des Rotors (16) an der Nabe (13) ringförmig ist und einen Innenbereich der Verbindung der Nabe (13) aufweist, der einem inneren Drehring des Wälzlagers (15) in axialer Richtung der Nabe (13) und des Lagers (15) zwischen der Nabe (13) und dem Lager (15) zwischengeschaltet ist, auf denen das Befestigungselement (20), zum Beispiel durch Bolzen, steif befestigt ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Untereinheit mit einem Hauptgestell (8), das schwenkbar auf dem oberen Bereich des Mastes (2) angebracht ist und eine zweite Untereinheit, die auf der ersten Untereinheit entlang einer Trennebene (11) befestigt ist und den aus dem Stator (17), dem Rotor (16) und dem Lager (15) bestehenden elektrischen Stromerzeuger (12) auf einem Traggestell (9) aufweist, sowie eine dritte Untereinheit aufweist, die auf Höhe des Lagers (15) mit der zweiten Untereinheit verbunden ist und die Nabe (13) und die Flügel (14) des sich drehenden Teils (10) aufweist, wobei die drei Untereinheiten durch Flansche so miteinander verbunden sind, dass sie die auf den sich drehenden Teil (10) durch den Wind ausgeübten Kräfte mittels der zweiten Untereinheit auf die erste Untereinheit aufnehmen, wobei die erste Untereinheit verschiedene Bestandteile umschließt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven scheibenförmigen Bereiche des Rotors und des Stators durch einen Luftspalt getrennt sind, dessen Länge so geregelt ist, dass der Stator (17) auf den Rotor (16) und den sich drehenden Teil (10) eine Kraft von axialer Richtung ausübt, die entgegengesetzt der Kraft von axialer Richtung ist, die vom Wind auf den sich drehenden Teil (10) ausgeübt wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine mechanische Bremse (22) des sich drehenden Teils (10) aufweist, die von einer Scheibenbremse gebildet wird, dessen Scheibe fest mit dem Rotor (16) des elektrischen Stromerzeugers (12) verbunden ist und die mehrere Scheibenbremssättel aufweist, die entlang des äußeren Umfangs eines Bereiches des Gestells (8) der Gondel (3) verteilt sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein aerodynamisches Bremssystem aufweist, das von radialen Endbereichen (14a) der Flügel (14) gebildet wird, die den mit der Nabe (13) verbundenen Enden der Flügel (14) entgegengesetzt sind, die drehbar um eine Längsachse des Flügels (14) entsprechend einer radialen Richtung angebracht sind und mit einer Schwenkvorrichtung des Endbereiches (14a) des Flügels in Abhängigkeit des Windes oder der Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Teils (10) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (15) ein Wälzlager ist und dass die Gondel (3) ein Schmierungssystem des Wälzlagers (15) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (15) in Bezug auf die Nabe (13) in axialer Richtung benachbart angeordnet ist, so dass der sich drehende Teil (10) der Vorrichtung auf dem Gestell (8) der Gondel (3) leicht vorstehend befestigt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aktiver scheibenförmiger Bereich des Rotors (16) Dauermagneten trägt, die entlang der Umfangsrichtung des aktiven Bereiches des Rotors (16) verteilt sind.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com