DE102014224543A1

DE102014224543A1 - Stufenloses Windkraftgetriebe mit Direktgang

Info

Publication number: DE102014224543A1
Application number: DE102014224543.5A
Authority: DE
Inventors: David Wörzler; Martin Fellmann; Sebastian Böhl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe (101) mit einer ersten Welle (103), einer zweiten Welle (105), einer dritten Welle (107), mindestens einer Getriebestufe (109), mindestens einer schaltbaren Kupplung (111) und mindestens einem Variator (113). Die Getriebestufe (109) koppelt die erste Welle (103), die zweite Welle (105) und die dritte Welle (107) mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2; wobei die Kupplung (111) ausgebildet ist, die zweite Welle (105) drehfest mit der dritten Welle (107) zu verbinden; wobei der Variator (113) die erste Welle (103) und die zweite Welle (105) mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt; und wobei der Variator (113) ausgebildet ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle (103) und der zweiten Welle (105) zu variieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie müssen beim Einspeisen der Energie in ein elektrisches Netz eine vorgegebene Frequenz der eingespeisten Spannung einhalten. Dies ist problematisch bei Strömungskraftanlagen, etwa Windkraftanlagen, bei denen ein Rotor aufgrund wechselnder Geschwindigkeiten eines strömenden Fluids mit veränderlicher Drehzahl rotiert. Gewöhnlich kommen daher Umrichter zum Einsatz.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von CVT-Getrieben für Windkraftanlagen bekannt, um mittels einer variablen Übersetzung den Generator mit konstanter Drehzahl betreiben zu können. Dies ermöglicht es, den Umrichter entfallen zu lassen. Allerdings konnten sich CVT-Getriebe bisher nicht durchsetzen, da sie einen schlechten Wirkungsgrades aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Getriebe verfügbar zu machen. Das Getriebe soll insbesondere geeignet sein, in einer Strömungskraftanlage, etwa einer Windkraftanlage, eingesetzt zu werden. Ziel ist es, die Strömungskraftanlage bei verbessertem Wirkungsgrad ohne Umrichter betreiben zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Getriebe weist eine erste Welle, eine zweite Welle, mindestens eine Getriebestufe, mindestens eine schaltbare Kupplung und mindestens einen Variator auf.
Insbesondere können die erste Welle als Antriebs- bzw. Eingangswelle und die dritte Welle als Abtriebs- bzw. Ausgangswelle ausgebildet sein.
Unter einer Kupplung ist ein Mittel zu verstehen, um zwei Wellen drehfest miteinander zu verbinden.
Unter einer Getriebestufe ist ein Bereich eines Getriebes zu verstehen. Dabei stehen jeweils zwei zu der Getriebestufe gehörige Getriebekomponenten – direkt oder über weitere zu der Getriebestufe gehörige Getriebekomponenten – derart miteinander in Wirkverbindung, dass ein axial, d.h. entlang einer Drehachse der jeweiligen Getriebekomponente ausgerichtetes Drehmoment übertragen werden kann.
Ein Variator lässt sich definieren als eine Getriebestufe mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1, die ausgebildet ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen zwei Wellen stufenlos zu variieren. Insbesondere bildet der zeitliche Verlauf des Übersetzungsverhältnisses eine stetige Funktion. Verschiedene Ausführungsformen von Variatoren, etwa als Zugmittelgetriebe mit veränderlichen Abrollumfängen des Zugmittels, als hydrostatisches stufenloses Getriebe mit einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor oder als elektrisches Getriebe mit einem Generator und einem Motor, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Eine allgemeine Definition des Begriffs Getriebefreiheitsgrad, auch Getriebelaufgrad genannt, findet sich im "Dubbel" (Karl-Heinrich Grothe, Jörg Feldhusen: "Dubbel". 22. Auflage, 2007). Der Getriebefreiheitsgrad stimmt mit der Anzahl relativer Bewegungen überein, die vorgegeben werden müssen, damit die Bewegungen aller Glieder des Getriebes vollständig festgelegt sind. Dies entspricht der Anzahl relativer Bewegungen, die zu verhindern sind, um alle Glieder des Getriebes bewegungsunfähig zu machen.
Eine Getriebestufe „koppelt Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von n", bedeutet, dass die Getriebestufe ein Getriebe mit einem Getriebefreiheitsgrad von n bildet, und die Wellen jeweils zu der Getriebestufe gehören oder mit einem Glied der Getriebestufe drehfest verbunden sind.
Sind – wie im Falle der vorliegenden Erfindung – drei Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2 gekoppelt, so sind eine erste Drehzahl einer beliebigen der drei Wellen und eine zweite Drehzahl einer beliebigen weiteren der drei Wellen frei wählbar. In Abhängigkeit von der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl ist die Drehzahl der verbleibenden der drei Welle eindeutig bestimmt. Sind zwei Wellen mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 gekoppelt, so ist entsprechend in Abhängigkeit von einer freiwählbaren Drehzahl einer beliebigen der zwei Wellen die Drehzahl der verbleibenden der zwei Wellen eindeutig bestimmt.
Eine drehfeste Verbindung zwischen Wellen besteht genau dann, wenn keinerlei Relativbewegung zwischen den Wellen möglich ist. Die Wellen sind dabei mit einem Drehfreiheitsgrad von 1 gekoppelt.
Die Getriebestufe des erfindungsgemäßen Getriebes koppelt die erste Welle, die zweite Welle und die dritte Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2.
Die Kupplung ist ausgebildet, die zweite Welle drehfest mit der dritten Welle zu verbinden. Weiterhin ist die Kupplung schaltbar. Dies bedeutet, dass die Kupplung mit einem Mechanismus versehen ist, um die Kupplung von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand und von dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand zu überführen. Insbesondere ist es möglich, die Kupplung im Betrieb, d.h. wenn mindestens eine der beiden Wellen sich dreht, von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand und von dem geschlossenen Zustand zurück in den geöffneten Zustand zu überführen. Im geöffneten Zustand können die beiden Wellen gegeneinander verdreht werden. Ist die Kupplung hingegen geschlossen, besteht zwischen den Wellen eine drehfeste Verbindung.
Die durch Schließen der Kupplung hervorgerufene drehfeste Verbindung der zweiten Welle mit der dritten Welle führt dazu, dass die Getriebestufe verblockt ist. Dies bedeutet, dass nicht nur die zweite Welle gegenüber der dritten Welle, sondern auch die erste Welle gegenüber der zweiten Welle und der dritten Welle drehfest ist. Die erste Welle, die zweite Welle und die dritte Welle können also relativ zueinander nicht mehr verdreht werden.
Der Variator ist ausgebildet, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zu variieren. Dazu koppelt der Variator die erste Welle und die zweite Welle mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt.
Die durch Schließen der Kupplung hervorgerufene Verblockung der Getriebestufe setzt den Variator außer Kraft. Leistungsverluste durch den Variator werden so vermieden. Im Bedarfsfall kann der Variator aber durch Öffnen der Kupplung in Betrieb gesetzt werden.
Die Kupplung kann derart weitergebildet sein, dass sie die drehfeste Verbindung zwischen der zweiten Welle und der dritten Welle durch Kraftschluss herstellt. In einer bevorzugten Weiterbildung stellt die Kupplung diese Verbindung allerdings durch einen Formschluss her. Eine derartige Weiterbildung der Kupplung wird auch als Klauenschaltelement bezeichnet.
Klauenschaltelemente weisen gegenüber kraftschlüssigen Schaltelementen den Vorteil deutlich geringerer Schleppverluste im geöffneten Zustand auf. Allerdings können Klauenschaltelemente gewöhnlich nicht unter Last geschaltet werden. In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Getriebe daher mindestens eine Steuervorrichtung auf, welche die Kupplung und den Variator so steuern kann, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zum Schließen der Kupplung derart variiert wird, dass die zweite Welle und die dritte Welle mit gleicher Drehzahl rotieren. In einem ersten Schritt variiert also der Variator das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle. Das Übersetzungsverhältnis nimmt dabei einen Wert an, der dazu führt, dass die zweite Welle und die dritte Welle mit gleicher Drehzahl rotieren. In einem zweiten Schritt wird dann die zuvor geöffnete Kupplung geschlossen.
Analog lässt sich die Kupplung anschließend wieder öffnen. Da allerdings bei geschlossener Kupplung die Getriebestufe im Block umläuft, ist es nicht möglich, das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zu variieren. Stattdessen ist der Variator in der Lage, die erste Welle und die zweite Welle gegeneinander zu verspannen, das heißt, ein zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle in Drehrichtung wirkendes Drehmoment aufzubringen. Bei geeigneter Wahl dieses Drehmoments ist die Kupplung lastfrei, das heißt, in der Kupplung wirkt kein Drehmoment. Wenn die Kupplung lastfrei ist, kann sie geöffnet werden. Entsprechend ist die Steuervorrichtung bevorzugt weitergebildet, die Kupplung und den Variator so zu steuern, dass der Variator die erste Welle und die zweite Welle zum Öffnen der Kupplung derart gegeneinander verspannt, dass die Kupplung lastfrei wird. In einem ersten Schritt werden also die beiden Wellen gegeneinander verspannt. In einem zweiten Schritt wird die nun lastfreie Kupplung geöffnet.
Das erfindungsgemäße Getriebe eignet sich für den Einsatz in Strömungskraftanlagen, etwa Windkraftanlagen, Laufwasserkraftwerken oder Gezeitenkraftwerken. Eine bevorzugte Strömungskraftanlage weist einen von einem strömenden Fluid antreibbaren Rotor, einen Generator, mindestens eine Steuervorrichtung und ein Getriebe der oben beschriebenen Art auf. Das Getriebe koppelt den Rotor und eine Eingangswelle des Generators mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 der Art, dass Leistung von dem strömenden Fluid über den Rotor zu dem Generator übertragen werden kann.
Die Steuervorrichtung öffnet und schließt die Kupplung in Abhängigkeit von der zu dem Generator übertragenen Leistung. Übersteigt diese Leistung eine Nennlast des Generators, schließt die Steuervorrichtung die Kupplung beziehungsweise hält die Kupplung geschlossen. Fällt die übertragene Leistung auf einen Wert unterhalb der Nennlast ab, öffnet die Steuervorrichtung die Kupplung und hält sie geöffnet, solange die übertragene Leistung unterhalb der Nennlast liegt.
Unter der Nennlast des Generators ist eine Eingangsleistung zu verstehen, die an liegt, wenn eine Ausgangsleistung einer Nennleistung des Generators entspricht. Die Nennlast beziehungsweise Nennleistung kennzeichnen eine Eingangs- beziehungsweise Ausgangsleistung, mit welcher der Generator dauerhaft betrieben werden kann, ohne Schaden zu nehmen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Strömungskraftanlage weist der Rotor verstellbare Rotorblätter auf. Dies ermöglicht es, im Bereich der Nennleistung eine Anpassung von Generatordrehzahl und -leistung durch Verstellung der Rotorblätter vorzunehmen. Die Kupplung kann währenddessen geschlossen sein, sodass der Variator last- und damit verlustfrei mitläuft. Unterhalb der Nennleistung wird die Generatordrehzahl mittels des Variators und der verstellbaren Rotorblätter geregelt. Eine Anpassung der Generatorleistung erfolgt dabei über eine Generatorregelung.
Ist die Kupplung geschlossen, steuert die Steuervorrichtung den Rotor weiterbildungsgemäß so, dass Schwankungen der von dem Rotor zu dem Generator übertragenen Leistung, die durch schwankende Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids zustande kommen können, durch Verstellung der Rotorblätter mindestens teilweise ausgeglichen werden. Droht also bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Fluids die von dem Rotor zu dem Generator übertragene Leistung die Nennlast des Generators zu übersteigen, werden die Rotorblätter so verstellt, dass die Leistungsausbeute des Rotors entsprechend reduziert wird. Die Drehzahl des Generators bleibt dabei konstant. Umgekehrt werden die Rotorblätter bei abnehmender Strömungsgeschwindigkeit des Fluids so verstellt, dass sich die Leistungsausbeute des Rotors erhöht, um zu verhindern, dass die von dem Rotor zu dem Generator übertragene Leistung abfällt. Auch hier bleibt die Drehzahl des Rotors konstant.
Durch die Verstellung der Rotorblätter bei geschlossener Kupplung ist es also möglich, den Generator konstant mit Nennlast zu betreiben. Zusätzlich zu der Steuerung der verstellbaren Rotorblätter kann eine Anpassung über eine herkömmliche Regelung seitens des Generators erfolgen.
Bei geöffneter Kupplung, also insbesondere dann, wenn die von dem Rotor zu dem Generator übertragene Leistung unterhalb der Nennlast des Generators liegt, werden Schwankungen der Leistung und/oder Netzfehler vorzugsweise durch Variieren des Übersetzungsverhältnisses zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle ausgeglichen. Die Verwendung des Variators, der Ausgleich der Leistungsschwankungen und/oder Netzfehler erfolgen insbesondere derart, dass der Generator mit konstanter Drehzahl betrieben wird, so dass auch die Frequenz der ins Netz eingespeisten Spannung konstant ist. Die Steuerung mittels des Variators bietet den Vorteil, dass die Einstellung der Rotorblätter davon unabhängig hinsichtlich der Energieausbeute optimiert werden kann.
Bei Netzfehlern bricht die Last am Generator weg, so dass dem Rotor ein Gegenmoment fehlt. In Folge dessen erhöht sich unvermittelt die Drehzahl des Antriebsstrangs. Wenn die Kupplung geschlossen ist, lässt sich in einer bevorzugten Ausführungsform eine derartige Erhöhung der Drehzahl mindestens teilweise ausgleichen, indem die Kupplung geöffnet wird. Bei geöffneter Kupplung kann die Drehzahl durch geeignete Steuerung des Variators gesenkt werden. Zusätzlich ist eine Verstellung der Rotorblätter möglich.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Im Einzelnen zeigt
1 ein Getriebe mit Kupplung und Variator.
Das in 1 dargestellte Getriebe 101 weist eine erste Welle 103, eine zweite Welle 105, eine dritte Welle 107, einen Planetensatz 109, eine schaltbare Kupplung 111 und einen Variator 113 auf.
Die erste Welle 103 ist als Antriebswelle ausgebildet, die dritte Welle 107 als Abtriebswelle.
Der Planetensatz 109 weist einen drehbaren Planetenträger, ein drehbares Hohlrad und ein drehbares Sonnenrad auf. In dem Planetenträger sind Planetenräder drehbar gelagert, die jeweils mit dem Hohlrad und/oder dem Sonnenrad kämmen. Mit dem Planetenträger, dem Hohlrad und dem Sonnenrad sind jeweils entweder die erste Welle 103, die zweite Welle 105 oder die dritte Welle 107 drehfest verbunden. So kann beispielsweise die erste Welle 103 drehfest mit dem Planetenträger verbunden sein, die zweite Welle 105 mit dem Hohlrad und die dritte Welle 107 mit dem Sonnenrad.
Die erste Welle 103 ist als Eingangswelle des Variators 113 ausgeführt. Eine Ausgangswelle des Variators 113 bildet die zweite Welle 105. Der Variator 113 ist in der Lage, ein Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle stufenlos zu variieren.
Die Kupplung 111 ist so angeordnet, dass sie im geschlossenen Zustand eine drehfeste Verbindung zwischen der zweiten Welle 105 und der dritten Welle 107 herstellt. Damit ist der Planetensatz 109 verblockt. Im verblockten Zustand stellt der Planetensatz 109 eine drehfeste Verbindung zwischen der ersten Welle 103 und der zweiten Welle 105 her. Dies führt dazu, dass der Variator 113 wirkungslos bleibt.
Im geöffneten Zustand schränkt die Kupplung 111 die Verdrehbarkeit der zweiten Welle 105 und der dritten Welle 107 gegeneinander nicht ein. In diesem Fall ist die Verdrehbarkeit der ersten Welle 103, der zweiten Welle 105 und der dritten Welle 107 ausschließlich durch den Planetensatz 109 festgelegt.
Bezugszeichenliste

101: Getriebe
103: erste Welle
105: zweite Welle
107: dritte Welle
109: Planetensatz
111: Kupplung
113: Variator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Karl-Heinrich Grothe, Jörg Feldhusen: "Dubbel". 22. Auflage, 2007 [0011]

Claims

Getriebe (101) mit einer ersten Welle (103), einer zweiten Welle (105), einer dritten Welle (107), mindestens einer Getriebestufe (109), mindestens einer schaltbaren Kupplung (111) und mindestens einem Variator (113); dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestufe (109) die erste Welle (103), die zweite Welle (105) und die dritte Welle (107) mit einem Getriebefreiheitsgrad von 2 koppelt; wobei die Kupplung (111) ausgebildet ist, die zweite Welle (105) drehfest mit der dritten Welle (107) zu verbinden; wobei der Variator (113) die erste Welle (103) und die zweite Welle (105) mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt; und wobei der Variator (113) ausgebildet ist, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle (103) und der zweiten Welle (105) zu variieren.
Getriebe (101) nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (111) als Klauenschaltelement ausgebildet ist.
Getriebe (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens eine Steuervorrichtung; wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Kupplung (111) und den Variator (113) so zu steuern, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle (103) und der zweiten Welle (105) zum Schließen der Kupplung (111) derart variiert wird, dass die zweite Welle (105) und die dritte Welle (107) mit gleicher Drehzahl rotieren.
Getriebe (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch mindestens eine Steuervorrichtung; wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Kupplung (111) und den Variator (113) so zu steuern, dass der Variator (113) die erste Welle (103) und die zweite Welle (105) zum Öffnen der Kupplung (111) derart gegeneinander verspannt, dass die Kupplung (111) lastfrei wird.
Strömungskraftanlage mit einem Rotor, einem Generator und mindestens einer Steuervorrichtung; gekennzeichnet durch ein Getriebe (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; wobei das Getriebe (101) den Rotor und eine Eingangswelle des Generators mit einem Getriebefreiheitsgrad von 1 koppelt, sodass Leistung von dem Rotor zu dem Generator übertragen werden kann; wobei die Steuervorrichtung die Kupplung (111) schließt und/oder geschlossen hält, wenn die zu dem Generator übertragene Leistung einer Nennlast des Generators entspricht; und wobei die Steuervorrichtung die Kupplung (111) öffnet und/oder geöffnet hält, wenn die zu dem Generator übertragene Leistung unterhalb der Nennlast des Generators liegt.
Strömungskraftanlage nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor verstellbare Rotorblätter aufweist; wobei die Steuervorrichtung den Rotor so steuert, dass Schwankungen der von dem Rotor zu dem Generator übertragenen Leistung durch Verstellung der Rotorblätter mindestens teilweise ausgeglichen werden, wenn die Kupplung (111) geschlossen ist.
Strömungskraftanlage nach Anspruch 5 oder 6; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung den Variator (113) so steuert, dass Schwankungen der Leistung und/oder Netzfehler durch Variieren des Übersetzungsverhältnisses zwischen der ersten Welle (103) und der zweiten Welle (113) mindestens teilweise ausgeglichen werden können, wenn die Kupplung (111) geöffnet ist.
Strömungskraftanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung die Kupplung (111) öffnen kann, um Netzfehler auszugleichen.