DE102007049599A1

DE102007049599A1 - Temperaturregelung von aneinandergekoppeltem Getriebe und Generator bei einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102007049599A1
Application number: DE102007049599A
Authority: DE
Inventors: Jens Thomas Wernicke; Sönke PAULSEN
Original assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Current assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2009049599A2; DE112008002661A5; WO2009049599A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperaturen eines Getriebes und eines Generators für eine Windkraftanlage, welche Windenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die Vorrichtung das Getriebe und den Generator umfasst, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor (131), wenigstens einen Stator (129), wenigstens eine Leiterwicklung und/oder einen Permanentmagneten (135), welche der Stator (129) bzw. der Rotor (131) umfasst, und ein den Rotor (131) und den Stator (129) umfassendes Generatorgehäuse (127) umfasst und eine Generatortemperatur aufweist, wobei das Getriebe wenigstens eine Abtriebsstufe, wenigstens eine Antriebsstufe, wobei die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Antriebsstufe in eine Drehzahl bzw. Drehmoment der Abtriebsstufe gewandelt wird, und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebegehäuse (107) umfasst und eine Getriebetemperatur aufweist, wobei der Generator Mittel zum Kühlen und einen entsprechenden Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium aufweist, wobei das Getriebe ein Schmiermittel insbesondere zur Schmierung aufweist, wobei die Mittel zum Kühlen zum Temperieren des Getriebes verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperaturen eines Getriebes und eines Generators für eine Windkraftanlage, welche Windenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die Vorrichtung das Getriebe und den Generator umfasst, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor (131), wenigstens einen Stator (129), wenigstens eine Leiterwicklung und/oder einen Permanentmagneten (135), welche der Stator (129) bzw. der Rotor (131) umfasst, und ein den Rotor (131) und den Stator (129) umfassendes Generatorgehäuse (127) umfasst und eine Generatortemperatur aufweist, wobei das Getriebe wenigstens eine Abtriebsstufe, wenigstens eine Antriebsstufe, wobei die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Antriebsstufe in eine Drehzahl bzw. Drehmoment der Abtriebsstufe gewandelt wird, und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebegehäuse (107) umfasst und eine Getriebetemperatur aufweist, wobei der Generator Mittel zum Kühlen und einen entsprechenden Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium aufweist, wobei das Getriebe ein Schmiermittel insbesondere zur Schmierung aufweist, wobei die Mittel zum Kühlen zum Temperieren des Getriebes verwendet werden.
Windenergieanlagen bzw. Windkraftanlagen werden an unterschiedlichen Breitengraden dieser Welt aufgestellt. Dadurch muss eine Standard-Windenergieanlage auf unterschiedlichste klimatische Bedingungen eingestellt werden. Aber auch durch die durch jahreszeitliche Temperaturänderungen gesetzten Bedingungen an einem Standort muss eine Windenergieanlage möglichst ganzjährig betreibbar sein, da sonst die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben ist. So müssen in Deutschland typischer Weise Temperaturbereiche zwischen –20 und +40°C betrachtet werden. Insbesondere führen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt dazu, dass Getriebeschmierstoffe nicht die optimale Viskosität für das Anfahren bzw. Betreiben einer Windenergieanlage aufweisen.
Üblicher Weise wird daher die Temperatur des Schmieröls in einem Getriebe mittels Temperatursensor bestimmt und bei zu niedrigen Temperaturen der Ölsumpf mittels Tauchsieder erhitzt. Dies führt aufgrund mangelnder Konvektion dazu, dass das Öl lokal am Tauchsieder erhitzt wird, jedoch die Wärme sich nicht ideal im Öl verteilt. Insbesondere führt die Verwendung eines Tauchsieders dazu, dass das Öl in der Nähe des Tauchsieders verbrennt und sich dadurch die Qualität des Schmiermittels verschlechtert.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine Erwärmung des Schmiermittels im Getriebe zu realisieren, bei der die Qualität des Öls möglichst erhalten bleibt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Regeln der Temperaturen eines Getriebes und eines Generators für eine Windkraftanlage, welche Windenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die Vorrichtung das Getriebe und den Generator umfasst, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor, wenigstens einen Stator, wenigstens eine Leiterwicklung und/oder einen Permanentmagneten, welche der Stator bzw. der Rotor umfasst, und ein den Rotor und Stator umfassendes Generatorgehäuse umfasst und eine Generatortemperatur aufweist, wobei das Getriebe wenigstens eine Abtriebsstufe, wenigstens eine Antriebsstufe, wobei die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Antriebsstufe in eine Drehzahl bzw. Drehmoment der Abtriebsstufe gewandelt wird, und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebegehäuse umfasst und eine Getriebetemperatur aufweist, wobei der Generator Mittel zum Kühlen und einen entsprechenden Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium aufweist, wobei das Getriebe ein Schmiermittel insbesondere zur Schmierung aufweist, wobei die Mittel zum Kühlen zum Temperieren des Getriebes verwendet werden.
Unter Getriebe werden hier insbesondre Drehzahl- bzw. Drehmomentwandler aller Art verstanden. Dabei kann in bevorzugter Weise ein zweistufiges Planetengetriebe mit oder ohne nachgeschalteter Stirnradstufe verwendet werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können mehrstufige Planetengetriebe mit oder ohne nachgeschalteter Stirnradstufe verwendet werden.
Unter Generator werden hier insbesondere Vorrichtungen verstanden, welche mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Generator so ausgestaltet sein, dass sich im Joch bzw. Rotor Permanentmagneten befinden, welche bei Rotation des Jochs eine Spannung in den Spulen des Stators induzieren. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Generator als Doppelstator und Monorotor ausgestaltet sein. Dabei ist eine Leiterschleife bzw. Leiterspule oberhalb des Rotors im äußeren Stator verortet und eine weitere Leiterschleife bzw. Leiterspule unterhalb des Rotors im inneren Stator verortet. Auch kann die Leiterschleife so ausgestaltet sein, dass sie sich über inneren und äußeren Stator erstreckt. In einer weiteren Ausgestaltungsform kann der Magnet im Rotor als mit Strom erregbarer Magnet ausgestaltet sein.
In einer äußerst bevorzugten Ausgestaltungsform kann die feste Verbindung zwischen dem Generator und dem Getriebe als geflanschte Verbindung ausgestaltet sein. Diese lösbare Befestigung ermöglicht den Austausch von Komponenten und die leichtere Wartung. Zudem kann eine Platte, welche die Wärme vom Generator an das Getriebe bzw. in umgekehrter Richtung überträgt, zwischen Getriebe und Generator angebracht sein, wobei dabei immer noch eine feste Verbindung zwischen Getriebe und Generator realisierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform können die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe so ineinander greifen, dass eine Drehzahl- bzw. Drehmomentwandlung erfolgt. In einer weiteren Ausgestaltungsform können weitere Vorrichtungen vorgesehen sein, die zwischen der Antriebsstufe und der Abtriebsstufe weitere Wandlungen der Drehzahl bzw. des Drehmoments umsetzen.
In einer Ausgestaltungsform kann der Generator Mittel zum Kühlen aufweisen, welche die Temperatur, welche in den Leiterschleifen aufgrund von Induktion und somit aufgrund des Stromflusses entsteht, des Generators regeln. Dabei können als Kühlmittel im Kühlkreislauf Wasser bzw. Wasser/Glykol Gemische verwendet werden. Eine Kühlmittelpumpe kann dabei das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf pumpen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Kühlkreislauf aktiv und/oder passiv gekühlt werden. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kann die aktive Kühlung mittels eines Kühlaggregats erfolgen. Dabei ist das Kühlaggregat mit einer Stromquelle versorgt, welche die nötige Energie für die Kühlung bereitstellt.
In einer weiterhin äußerst bevorzugten Ausführungsform kann die passive Kühlung über einen Kühlkörper erfolgen. Dieser Kühlkörper kann außerhalb des Gehäuses bzw. der Windenergieanlage angebracht sein. Dabei erfolgt die Kühlung über wärmeleitende Kühlrippen, welche im Austausch mit kühlender Luft stehen können.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann das Temperieren passiv und/oder aktiv erfolgen. In einer diesbezüglich bevorzugten Ausführungsform kann das passive Temperieren durch ein Ausdehnen des Kühlkreislaufes auf das Getriebe erfolgen. Dabei wird der Kühlkreislauf so ausgestaltet, dass ein Temperaturaustausch zwischen dem Kühlkreislauf des Generators und dem Getriebe (Öl) erfolgt.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann der ins Getriebe ausgedehnte Kühlkreislauf mittels Schaltelement zugeschaltet werden. So kann das Getriebe ein Kühlkreislauf mit Kühlmittel aufweisen. Insbesondere kann über schaltbare Ventile, welche zwischen dem Kühlkreislauf des Getriebes und des Generators angebracht sind, der Kühlkreislauf des Getriebes mit dem des Generators verbunden werden. Somit fließt das Kühlmittel sowohl durch das Getriebe als auch durch den Generator.
In einer weiteren äußerst bevorzugten Ausführungsform kann das aktive Temperieren durch Heranführen des Schmiermittels an die Mittel zum Kühlen erfolgen. So kann im Getriebe eine Pumpe angebracht sein, welche das Schmiermittel an die Stellen im Getriebe befördert, an denen ein guter Austausch der Wärme mit dem Kühlmittel erfolgen kann. Weiterhin kann die Pumpe mechanisch als auch elektrisch ausgeführt sein. Die mechanische Pumpe kann als Zahnradpumpe ausgestaltet sein.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform können die Leiterwicklungen im Generator von einer externen Stromquelle gespeist werden. Dies führt dazu, dass der Stromfluss die Leiterwicklung erwärmt. Diese Wärme kann durch das Kühlmittel aufgenommen und zum Aufwärmen des Schmiermittels im Generator verwendet werden. Insbesondere kann während des Aufwärmens die Kühlung des Kühlmittels unterbleiben.
In einer besonderen Ausführungsform kann eine Phase der Stromquelle zum Speisen der Leiterwicklungen verwendet werden. Dabei kann schaltungstechnisch der Leiterwicklung ein entsprechendes Stromprofil aufgeprägt werden, durch das die Wärmeentwicklung optimal für das Aufwärmen des Kühlmittels ausgestaltet ist.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann der Rotor, welcher für die Gewinnung elektrischer Energie an die Abtriebsstufe gekoppelt ist, von der Abtriebsstufe entkoppelt werden. Dies führt dazu, dass der Rotor sich dreht und der Generator als Motor wirken kann. Dadurch ist gewährleistet, dass die Welle trotz des rotierenden Rotors nicht rotiert. Die Abkopplung kann Schaltungstechnisch durch Steuerung eines Riegels bzw. Bolzens erfolgen.
Im Weiteren wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figur erläutert. Dabei zeigt
1: die Seitenansicht eines Schnittes eines an ein Getriebe geflanschten Generators.
Dabei umfasst das Getriebegehäuse 107 eine an die Nabe 101 geflanschte Hohlwelle 103, welche als Hohlrad 103 des Getriebes ausgestaltet ist. Dieses Hohlrad ist im Getriebegehäuse mittels Lager 105 gelagert. Die Zähne dieses Hohlrads 103 greifen in die mittels FlexPins 119 gelagerten Planeten 110. Diese Planeten 110 übertragen ihrerseits die Rotation an die Hohlsonne 115, welche zugleich als Hohlrad 115 für die Abtriebsstufe ausgebildet ist. Die Antriebsstufe umfasst dabei das Hohlrad 103, den Planetenräder 110 und die Hohlsonne 115. Die Abtriebsstufe umfasst das Hohlrad 115, welches drehfest mit der Hohlsonne 115 der Antriebsstufe verbunden ist, die mittels FlexPins 109 gelagerten Planeten 111 und die Hohlsonne 113, welche ihre Rotation an die Welle 117 abgibt. Die Planeten 111 der Abtriebsstufe sind zusätzlich in dem Hohlrad 103 gelagert. Dies führt zu einer Leistungsaufteilung und somit hat die hier beschriebene Abtriebsstufe zugleich auch die Funktion einer Antriebsstufe. Die Welle 117 ist weiterhin mittels Lager 121, 122 gelagert.
An die Welle 117 ist der Rotor des Generators 131 mittels steuerbarer Bremsen bzw. Halteelemente 133 angeflanscht. Somit folgt der Rotor 131 der Rotation der Welle 117. In dem Rotor sind Permanentmagneten 135 so eingebracht, dass diese in Wechselwirkung mit den Leiterspulen bzw. Leiterwicklungen 129 des inneren bzw. äußeren Stators stehen. Bei der Rotation des Rotors 131 wird somit eine Spannung in den Leiterwicklungen induziert. Das Generatorgehäuse 127 umfasst den Rotor 131, die Statoren mit Leiterwicklungen 129 und einen Teil des Kühlkreislaufs 125, welcher mit einem Kühlmittel befüllt ist und im Wärmeaustausch mit den Leiterwicklungen 129 steht. Die Leiterwicklungen können vom Kühlmittel umströmt sein bzw. wie hier dargestellt über leitfähige Materialien mit dem Kühlkreislauf 125 im Kontakt stehen.
Weiterhin ist das Generatorgehäuse 127 über eine Heizplatte 123 an das Getriebegehäuse 107 angeflanscht. In der Heizplatte ist ein weiterer Teil des Kühlreislaufs 125 integriert. Das Kühlmittel wird über das Kühlaggregat 137 gekühlt. Dies kann auch passiv über Metallrippen 143 erfolgen. Zusätzlich umfasst das Kühlaggregat 137 eine Pumpe (nicht dargestellt), welche durch den Kühlkreislauf 125 das Kühlmittel pumpt. Der Getriebekühlkreislauf 141 ist mit dem Kühlkreislauf 125 verbunden. Diese Verbindung kann auch über zwei schaltbare Ventile (nicht dargestellt) steuerbar erfolgen. Der Getriebekühlkreislauf 141 ist im wärmeaustauschenden Kontakt mit dem Ölsumpf (nicht dargestellt) des Getriebes. Somit kann sowohl eine Kühlung des Getriebes über den Gesamtkühlkreislaufs 125 + 141 als auch ein Erwärmen des Getriebeöls im Ölsumpf erfolgen.
Zusätzlich ist hier eine weitere Pumpdüsenvorrichtung 140 dargestellt. Diese saugt Öl aus dem Ölsumpf und verteilt das Öl über die Düse so, dass Öl über das Getriebegehäuse 107 mit dem Kühlkreislauf Wärme austauschen kann.
Die Steuerung der Pumpe, Ventile, Kühlaggregats 137, der Bremsen 133, aber auch des Stromflusses durch die Leiterwicklungen wird durch Steuergeräte mit Sensoren und Aktuatoren geregelt.

Claims

Vorrichtung zum Regeln der Temperaturen eines Getriebes und eines Generators für eine Windkraftanlage, welche Windenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die Vorrichtung das Getriebe und den Generator umfasst, wobei das Getriebe und der Generator fest miteinander verbunden sind, wobei der Generator wenigstens einen Rotor (131), wenigstens einen Statur (129), wenigstens eine Leiterwicklung und/oder einen Permanentmagneten (135), welche der Statur (129) bzw. der Rotor (131) umfasst, und ein den Rotor (131) und Statur (129) umfassendes Generatorgehäuse (127) umfasst und eine Generatortemperatur aufweist, wobei das Getriebe wenigstens eine Abtriebsstufe, wenigstens eine Antriebsstufe, wobei die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Antriebsstufe in eine Drehzahl bzw. Drehmoment der Abtriebsstufe gewandelt wird, und ein die Antriebsstufe und die Abtriebsstufe umfassendes Getriebegehäuse (107) umfasst und eine Getriebetemperatur aufweist, wobei der Generator Mittel zum Kühlen und einen entsprechenden Kühlkreislauf (125) mit einem Kühlmedium aufweist, wobei das Getriebe ein Schmiermittel insbesondere zur Schmierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Kühlen zum Temperieren des Getriebes verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (125) aktiv und/oder passiv gekühlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung mittels eines Kühlaggregats (137) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Kühlung über einen Kühlkörper (143) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperieren passiv und/oder aktiv erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Temperieren durch ein Ausdehnen des Kühlkreislaufes auf das Getriebe erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ins Getriebe ausgedehnte Kühlkreislauf mittels Schaltelement zuschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Temperieren durch Heranführen des Schmiermittels an die Mittel zum Kühlen erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterwicklungen im Generator von einer externen Stromquelle gespeist werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase der Stromquelle zum Speisen der Leiterwicklungen verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor, welcher für die Gewinnung elektrischer Energie an die Abtriebsstufe gekoppelt ist, von der Abtriebsstufe entkoppelt wird.