DE10246690A1

DE10246690A1 - Belüftungssystem für Generatoren in Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE10246690A1
Application number: DE10246690A
Authority: DE
Inventors: Manfred KRÜGER-GOTZMANN; Christian Schiller; Günter Zwarg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

Windkraftgeneratoren sollen insbesondere für Aufstellungsorte im Meer oder an Küsten hinsichtlich ihrer Belüftungssysteme verbessert werden. Hierfür wird ein Windkraftgenerator mit einem geschlossenen Gehäuse (3), das den Ständer (2) und Läufer (1) umgibt, für ein geschlossenes Belüftungssystem und mit einer Kühlereinrichtung (5), die im Wesentlichen innerhalb des vom Ständer (2) einschließlich der Wickelköpfe (21) aufgespannten Raums angeordnet ist, ausgestattet. Damit kann erreicht werden, dass bei dem begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraum der Windkraftgenerator wirksam von aggressiven Substanzen geschützt und somit seine Lebensdauer erhöht werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator mit einem Läufer und einem Ständer, der radial über dem Läufer angeordnet ist und der an seinen Stirnseiten Wickelköpfe aufweist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Belüften eines Windkraftgenerators.
Die Kühlung von großen, luftgekühlten Windkraftgeneratoren im Megawatt-Leistungsbereich, die in einer Gondel in großer Höhe untergebracht sind, erfordert ein Belüftungssystem, welches die besonderen Bedingungen dieser Aufstellungsart berücksichtigt. Die technische Problematik liegt in der Kühlluftzufuhr und -abfuhr, der gleichmäßigen Kühlluftverteilung um Umfang des Generators und dem sehr geringen Platzangebot in der Gondel für die notwendigen Bauteile der Kühleinrichtung.
Windkraftgeneratoren der höheren Leistungsklasse sind üblicherweise mit einem offenen Durchzugs-Belüftungssystem versehen, welches zum einen wenig effektiv ist und zum anderen den Generator und die elektrischen Wicklungen der Umgebungsluft aussetzt. Insbesondere bei Aufstellungsorten im Meer oder an Küsten ist diese Belüftungsart wegen des Salzgehalts und der Feuchtigkeit der Luft höchst problematisch und verkürzt die Lebensdauer der Generatoren signifikant.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Windkraftgenerator vorzuschlagen, der auch in aggressiverer Umgebungsluft betrieben werden kann. Insbesondere soll ebenso ein Verfahren vorgestellt werden, mit dem ein Windkraftgenerator unter schwierigen äußeren Bedingungen belüftet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Windkraftgenerator mit einem Läufer und einem Ständer, der radial über dem Läufer angeordnet ist und der an seinen Stirnseiten Wickelköpfe aufweist, sowie einem geschlossenen Gehäuse, das den Ständer und Läufer umgibt, für ein geschlossenes Belüftungssystem und einer Kühleinrichtung, die im Wesentlichen innerhalb des vom Ständer einschließlich der Wickelköpfe aufgespannten Raums angeordnet ist.

Darüber hinaus ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein Verfahren zum Belüften eines Windkraftgenerators durch einen Kühlmittelstrom, der die folgenden Komponenten des Windkraftgenerators nach anfänglicher Abkühlung in der angegebenen Reihenfolge durch- und/oder umströmt:

a) Magneteinrichtungen des Läufers,
b) Ständerblechpaket,
c) Ventilatoreinrichtung,
d) Wickelköpfe und
e) Kühlereinrichtung.

Es ist somit ein Windkraftgenerator mit einem geschlossenen Belüftungssystem einschließlich Fremdlüftern und Luft/Wasserkühlern realisierbar, wobei die Anordnung der Fremdlüfter und der Luft/Wasserkühler sowohl dem geringen Platzangebot innerhalb der Gondel als auch der gleichmäßigen Kühlluftversorgung des Generators am Umfang Rechnung tragen kann. Dabei ist ein hochwertiger Schutz des Generators gegeben, da dieser vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Salz etc. geschützt ist. Ferner weist dieses geschossene Belüftungssystem eine hohe Effizienz auf.

Vorteilhafterweise können die Blechpakete des Läufers und des Ständers radiale Lüftungsschlitze aufweisen. Diese gewährleisten, dass sowohl der Läufer als auch der Ständer sehr wirkungsvoll innen belüftet werden können.

Das Belüftungssystem kann eine Fremdlüftereinrichtung umfassen, die am Außenumfang des Gehäuses im Wesentlichen radial über dem Ständer angeordnet ist, wobei mehrere Einlassöffnun gen im Gehäuse radial über dem Ständer, d. h. am Ständerrücken, angeordnet sind. Durch diese Bauart kann der axiale Bauraum des Windkraftgenerators verhältnismäßig klein gehalten werden. Wenn darüber hinaus die mehreren Einlassöffnungen radial über den Wickelköpfen angeordnet sind, wird der Kühlmittelstrom direkt auf die Wickelköpfe gelenkt, so dass diese wirksam gekühlt werden können.

Vorzugsweise umfasst die Kühleinrichtung mehrere Kühler, die an beiden Seiten des Läufers in einem geringen axialen Abstand zum Läufer angeordnet sind. Da der Ständer aufgrund der beidseitig herausragenden Wickelköpfe breiter ist als der Läufer, können Kühlaggregate damit unter den Wickelkopfräumen angeordnet werden, ohne die axiale Abmessung des Windkraftgenerators zu vergrößern.

Radial unterhalb der Wickelköpfe können ferner in Umfangsrichtung ein oder mehrere Kühlstromführungsbleche angeordnet werden, das/die Austrittsöffnungen aufweist/aufweisen, welche in Umfangsrichtung gegenüber den Einblas- beziehungsweise Einlassöffnungen für die Fremdlüfter versetzt sind. Dieser Versatz der Einlass- und Austrittsöffnungen gewährleistet, dass der Kühlmittelstrom in Umfangsrichtung an den Wickelköpfen vorbeigeleitet wird. Da sich hierdurch eine größere Anzahl an Wickelköpfen kühlen lässt, kann die Anzahl der Fremdlüfter, die am Umfang des Windkraftgenerators verteilt sind, reduziert werden.

Zur weiteren Verbesserung der Kühlung der Wickelköpfe können mehrere radial ausgerichtete Drosselwände vorgesehen sein, die an der Gehäuseinnenseite oder an dem Kühlstromführungsblech angeordnet sind. Mit diesen Drosselwänden lässt sich der Kühlmittelstrom näher an die Wickelköpfe drängen und dort beschleunigen.

Bei ausgeprägten Polen des Läufers können diese von dem Kühlmittelstrom in axialer Richtung des Läufers umströmt werden, wobei der Kühlmittelstrom durch die Pollücken geleitet wird. Alternativ können Läufer mit ausgeprägten Polen wie auch Läufer mit permanenter Erregung radial durchströmt werden, wobei in den Läuferblechpakten entsprechende Schlitze vorzusehen sind.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Windkraftgenerator;
2 einen Querschnitt durch ein alternatives Läufer-Ständer-System;
3 einen Querschnitt durch ein weiteres, alternatives Läufer-Ständer-System;
4 eine Prinzipskizze zu einem erfindungsgemäßen Belüftungsschema; und
5 einen Querschnitt durch Wickelkopfräume mit erfindungsgemäßer Kühlluftführung.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte eines bevorzugten Windkraftgenerators oberhalb einer Drehachse A. Ein Läufer 1 und ein Ständer 2 des Generators sind in einem geschlossenen Gehäuse 3 untergebracht. Der Läufer 1 besitzt ein Läuferjoch 10, auf dem Permanentmagnete 11 angeordnet sind. Das Läuferjoch 10 ist durch radial verlaufende Ventilationsschlitze 12 durchbrochen, durch die Kühlluft von innen nach außen in radialer Richtung strömt. Der Kühlmittelstrom ist durch die Pfeile angedeutet. Der Doppelpfeil rechts neben dem Läufer 1 deutet dessen Drehung an.
Der radial über dem Läufer angeordnete Ständer 2 besitzt axial herausragende Wickelköpfe 21. Das Ständerblechpaket 22 be sitzt wie das Läuferjoch 10 radial verlaufende Ventilationsschlitze 23.
Der Kühlmittelstrom vom Läufer kommend ist durch die Läuferverluste angewärmt und nimmt in den Ventilationsschlitzen 23 Verluste des Ständers 2 auf. Anschließend strömt der weiter angewärmte Kühlmittelstrom in mehrere, vorzugsweise vier, am Umfang des Gehäuses 3 regelmäßig beabstandete Lufthauben 41 einer Fremdlüftereinrichtung 4. Die Lufthauben 41 besitzen eine nahezu quadratische Grundfläche und eine Breite, die in etwa der des Ständerblechpakets 22 entspricht. Von den Lufthauben 41 wird die Kühlluft beidseitig axial nach außen in Fremdlüfter 42 gesogen.
Durch das Gebläse der Fremdlüfter 42 wird die durch den Läufer und Ständer angewärmte Kühlluft über Einblasöffnungen 31 in Wickelkopfräume 32 eingeblasen. Das Umströmen der Wickelköpfe 21 in den Wickelkopfräumen 32 ist im Zusammenhang mit 5 näher erläutert.
Nach Verlassen der Wickelkopfräume 32 strömt die erwärmte Kühlluft in beidseitig des Läufers 1 am Lagerschild 33 des Gehäuses 3 angeordnete Kühler 5. Konkret strömt die Luft von außen in radialer Richtung vor den Kühler 5, durchströmt diesen und wird gekühlt in axialer Richtung nach innen in das Innere des Läufers 1 geleitet. Von dort beginnt der Kühlkreislauf erneut und trifft zuerst wieder auf den Läufer mit den Permanentmagneten 11, die sehr anfällig gegenüber hohen Temperaturen sind. Durch diese Kühlreihenfolge kann die Lebensdauer des Generators, insbesondere der Permanentmagnete, deutlich erhöht werden.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform des Läufer-Ständer-Systems dargestellt. Der Läufer 1 ist in diesem Fall nicht permanent erregt sondern besitzt ausgeprägte Pole 13. Dies bedeutet, dass der Kühlmittelstrom durch Pollücken im Läufer 1 geführt werden kann. Es kann also auf radiale Venti lationsschlitze 12 in dem Läuferblechpaket 10 verzichtet werden. Wie die Pfeile des Kühlmittelstroms in 2 andeuten, verläuft der Strom zunächst axial von außen in den Läufer und von dort radial nach oben beziehungsweise außen in das Blechpaket 22 des Ständers 2 durch die Ventilationsschlitze 23.
Eine weitere alternative Ausführungsform des Läufer-Ständer-Systems ist in 3 dargestellt. Auch in diesem Fall besitzt der Läufer ausgeprägte Pole 13. Ferner sind aber auch radiale Ventilationsschlitze 12 in dem Läuferjoch 10 wie in der ersten Ausführungsform gemäß 1 vorgesehen. Damit verläuft der Kühlmittelstrom zunächst axial in das Innere des Läufers 1, von dort in radialer Richtung nach außen durch die Ventilationsschlitze 12 des Läuferjochs 10, in radialer Richtung weiter durch die Pollücken und schließlich ebenfalls durch die Ventilationsschlitze 23 des Ständers 2.
In 4 ist ein Belüftungsschema angegeben, das die Reihenfolge der durchströmten Komponenten des Windkraftgenerators wiedergibt. Aus dem Kühler 5, dessen Sekundärkühlkreislauf mit gestrichelten Pfeilen angedeutet ist, tritt gemäß den Pfeilen mit durchgezogenen Linien Kaltluft aus. Diese erreicht, wie bereits im Zusammenhang mit 1 dargelegt wurde, zunächst die radialen Schlitze 12 des Läufers. Anschließend wird der Kühlmittelstrom durch die Permanentmagnete 11 des Läufers, die Radialschlitze 23 des Ständers und eine Luftführung im Gehäuse 3 zu den Fremdlüftern beziehungsweise Ventilatoren 42 geleitet. Von dort wird die Luft in die Wickelkopfräume 32 geblasen und schließlich als Warmluft in die Kühler 5 zurückgeführt. Wie bereits erwähnt steht die Kühlung der Permanentmagnete 11 mit am Anfang des Kühlmittelstroms, so dass die Permanentmagnete verhältnismäßig kalte Luft erreicht und somit deren Lebensdauer verlängert werden kann.
5 zeigt schematisch den Schnitt X-X, der in 1 angedeutet ist. Der an sich kreisförmige Verlauf des Gehäuses 3 und der Wickelköpfe 21 ist hier idealisiert linear darge stellt. Radial unterhalb der Wickelköpfe 21 ist ein Kühlstromführungsblech 34 angeordnet. Dieses Kühlstromführungsblech 34 weist Austrittsöffnungen 35 auf, die gegenüber der Einblasöffnung 31 unterhalb des Ventilators 42 in Umfangsrichtung versetzt sind. Weiterhin weist das Gehäuse 3 radial nach innen ragende und das Kühlstromführungsblech 34 radial nach außen ragende Drosselwände 36 auf. Zwischen den distalen Enden der Drosselwände 36 und den Wickelköpfen 21 besteht jeweils ein geringfügiger Spalt.
Durch den Versatz der Einblasöffnung 31 und der Austrittsöffnungen 35 in Umfangsrichtung wird der Kühlmittelstrom somit nach Einblasen in den Wickelkopfraum, der durch das Gehäuse 3 und das Kühlstromführungsblech 34 definiert ist, zunächst in Umfangsrichtung über die Wickelköpfe 21 geführt. Dabei verteilt sich der Kühlmittelstrom zum Teil oberhalb und unterhalb der Wickelköpfe 21, da zwischen dem Gehäuse 3 und den Wickelköpfen 21 eine axiale Lücke besteht, durch die das Kühlmittel unter die Wickelköpfe 21 strömen kann. Nach Verlassen des Wickelkopfraums 32 strömt die Kühlluft in die Kühler 5 und gekühlt weiter in den Läufer.
Durch die Drosselwände 36 wird die Kühlluft nahe an die Wickelköpfe 21 gedrängt und die Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle erhöht. Dies führt zu einem gesteigerten Wärmeabtransport in diesem Bereich.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kühlluftführung kann ein sehr kompakter Windkraftgenerator mit geschlossenem Belüftungssystem hergestellt werden. Durch die in der elektrischen Maschine angeordneten Kühler können spezielle Kühlerhauben an der Außenseite des Generators unter Einsparung von Bauraum vermieden werden.

Claims

Windkraftgenerator mit einem Läufer (1) und – einem Ständer (2), der radial über dem Läufer (1) angeordnet ist und der an seinen Stirnseiten Wickelköpfe (21) aufweist, gekennzeichnet, durch ein geschlossenes Gehäuse (3), das den Ständer (2) und Läufer (1) umgibt, für ein geschlossenes Belüftungssystem und – eine Kühleinrichtung (5), die im Wesentlichen innerhalb des vom Ständer (2) einschließlich der Wickelköpfe (21) aufgespannten Raums angeordnet ist.
Windkraftgenerator nach Anspruch 1, wobei die Blechpakete (10, 22) des Läufers (1) und des Ständers (2) radiale Lüftungsschlitze (12, 23) aufweisen.
Windkraftgenerator nach Anspruch 1 oder 2, der eine Fremdlüftereinrichtung (4) aufweist, die am Außenumfang des Gehäuses (3) im Wesentlichen radial über dem Ständer (2) angeordnet ist, wobei mehrere Einlassöffnungen (31) für ein Kühlmittel im Gehäuse (3) radial über dem Ständer (2) angeordnet sind.
Windkraftgenerator nach Anspruch 3, wobei die mehreren Einlassöffnungen (31) radial über den Wickelköpfen (21) angeordnet sind.
Windkraftgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kühlereinrichtung (5) mehrere Kühler umfasst, die an beiden Seiten des Läufers (1) in einem geringen axialen Abstand zum Läufer (1) angeordnet sind.
Windkraftgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Kühlstromführungsblech (34) radial unterhalb der Wickelköpfe (21) angeordnet ist, wobei das Kühlstromführungs blech (34) Austrittsöffnungen (35) aufweist, die in Umfangsrichtung gegenüber den Einlassöffnungen (31) versetzt sind.
Windkraftgenerator nach Anspruch 6, der mehrere radial ausgerichtete Drosselwände (36) aufweist, die an der Gehäuseinnenseite oder dem Kühlstromführungsblech (34) angeordnet sind, um einen Kühlstrom an den Wickelköpfen (21) zu beschleunigen.
Verfahren zum Belüften eines Windkraftgenerators gekennzeichnet durch – einen Kühlmittelstrom, der die folgenden Komponenten des Windkraftgenerators nach anfänglicher Abkühlung in der angegebenen Reihenfolge durch- und/oder umströmt: a) Magneteinrichtungen (10, 11) des Läufers (1), b) Ständerblechpaket (22), c) Ventilatoreinrichtung (4), d) Wickelköpfe (21) und e) Kühlereinrichtung (5).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Läufer (1) ausgeprägte Pole (13) besitzt, die axial umströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Läufer (1) ausgeprägte Pole (13) oder Permanentmagnete (11) besitzt, die in radialer Richtung des Läufers (1) umströmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Wickelköpfe (21) in Umfangsrichtung des Ständers (2) vom Kühlstrom umströmt werden.