DE9015945U1 - Wind turbine - Google Patents
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Description
Petra Christa Gretel Dunker, Bismarckstraße 50, 4030 RatingenPetra Christa Gretel Dunker, Bismarckstrasse 50, 4030 Ratingen
Die Erfindung Detrifft eine Windkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Anspruch 2.The invention relates to a wind turbine according to the preamble of claim 1 and claim 2.
Eine derartige Windkraftmaschine ist aus der DE 28 12 465 Al bekannt. Bei dieser bekannten Windkraftmaschine ist allerdings lediglich das Problem der Höhenveränderlichkeit des Windrotors an dem sich vertikal erstreckenden Tragmast sowie eine Verspannmöglichkeit des Tragmastes gelöst. Soweit bei dieser bekannten Windkraftmaschine die Höhenveranderbarkeit des Windrotors lediglich durch die Teleskopierbarkeit des Tragmastes erreicht wird, an dessen Spitze der Windrotor wie bei einem konventionellen Tragmast starr befestigt ist, treten gegenüber den konventionellen Windkraftmaschinen bei der Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie mittels eines Generators keine besonderen mechanischen Probleme auf. Bei derartig &egr;&kgr;&igr; Anordungen reicht es aus, an der Spitze des Tragmastes ein Gehäuse zu befestigen, in welchem einerseits der Generator untergebracht ist und an welchem andererseits der Windrotor drehbar gelagert befestigt, wobei in dem Gehäuse eine Welle drehbar gelagert ist, an deren einem Ende der Rotor und an deren anderem Ende der Generator befestigt ist.Such a wind turbine is known from DE 28 12 465 A1. However, this known wind turbine only solves the problem of the height variation of the wind rotor on the vertically extending support mast and the possibility of bracing the support mast. Insofar as the height variation of the wind rotor in this known wind turbine is achieved only by the telescopic nature of the support mast, to the top of which the wind rotor is rigidly attached as in a conventional support mast, no particular mechanical problems arise in comparison to conventional wind turbines when converting wind energy into electrical energy by means of a generator . In such arrangements it is sufficient to attach a housing to the top of the support mast in which the generator is housed on the one hand and to which the wind rotor is rotatably mounted on the other, with a shaft being rotatably mounted in the housing, at one end of which the rotor is attached and at the other end the generator.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem entlang eines Mastes vertikal verfahrbaren Windrotor eine Möglichkeit zur Unterbrinung und zum Antrieb des Generators zu schaffen.Based on this, the invention is based on the object of creating a possibility for accommodating and driving the generator in a wind rotor that can be moved vertically along a mast.
D-4OOO DÜSSELDORF 1 ■ MUlVANYSTRASSE 2 TELEFON 45/211/032727 TELEFAX 49/211 p3 T9 15D-4OOO DÜSSELDORF 1 ■ MUlVANYSTRASSE 2 TELEPHONE 45/211/032727 FAX 49/211 p3 T 9 15
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.This object is solved by the features of claims 1 or 2.
Beiden Lösungsmöglichkeiten ist der Grundgedanke gemein, daß die für die Energieumsetzung von Windenergie in elektrische Energie erforderlichen drehbewegten Bauteile des Generators, wie elektromagnetische Spulen und Permanentmagnete oder dergleichen, unmittelbar in den Windrotor integriert oder an ihm angebaut sind, sich also rotorseits des den Windrotor tragenden Drehlagers befinden. Beiden Lösungen ist ferner gemein, daß die nicht drehbewegten, zur Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie erforderlichen Generatorbauteile, wie elektromagnetische Spulen, Permanentmagnete oder dergleichen, sich mastseits des den Windrotor drehbar tragenden Drehlagers befinden. Soweit diese nicht drehbewegten Generatorbauteile unmittelbar in den höhenverstellbaren Halter integriert oder an ihm angebaut sind, hat dies den Vorteil größtmöglicher Kompaktheit des Generators. Außerdem braucht der Mast ausschließlich auf die Belange seiner Trag- und seiner Hohenverstellfunktion für den Windrotor konzipiert zu sein (Anspruch 1). Wenn hingegen die nicht drehbewegten Generatorbauteile (nach Anspruch 2) unmittelbar in den Tragmast integriert oder mit dem Tragmast verbunden sind, hat dies den Vorteil, daß das Gesamtgewicht der höhenverstellbaren Bauteile besonders gering gehalten werden kann. Bei heruntergefahrenen Generatoren ist die Wartungsfreundlichkeit ein kostengünstiger Faktor.Both possible solutions have in common the basic idea that the rotating components of the generator required for converting wind energy into electrical energy, such as electromagnetic coils and permanent magnets or the like, are directly integrated into the wind rotor or attached to it, i.e. are located on the rotor side of the pivot bearing that supports the wind rotor. Both solutions also have in common that the non-rotating generator components required for converting wind energy into electrical energy, such as electromagnetic coils, permanent magnets or the like, are located on the mast side of the pivot bearing that supports the wind rotor. If these non-rotating generator components are directly integrated into the height-adjustable holder or attached to it, this has the advantage of making the generator as compact as possible. In addition, the mast needs to be designed exclusively for the needs of its support and height-adjustment function for the wind rotor (claim 1). If, however, the non-rotating generator components (according to claim 2) are directly integrated into the support mast or connected to the support mast, this has the advantage that the total weight of the height-adjustable components can be kept particularly low. When the generators are shut down, ease of maintenance is a cost-effective factor.
Beide Lösungen haben gemeinsam den Vorteil großer Einfachheit und Funktionssicherheit sowie Kompaktheit und linearer Energieabgabe/Entnahme-Möglichkeit.Both solutions have the advantage of great simplicity and functional reliability as well as compactness and linear energy output/withdrawal options.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen beson-The aforementioned components as well as those claimed and described in the embodiment to be used according to the invention are not subject to any special requirements in terms of their size, shape, choice of material and technical concepts.
deren Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.their exceptional conditions, so that the selection criteria known in the respective area of application can be applied without restriction.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der zugehörigen Zeichnung, in der - bespielhaft - zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:Further details, features and advantages of the subject matter of the invention emerge from the following description and the accompanying drawing, in which - by way of example - two preferred embodiments of a wind turbine according to the invention are shown. In the drawing:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windkraftmaschine in perspektivischer Ansicht, wobei der Windrotor in zwei verschiedenen Höhenpositionen dargestellt ist;Fig. 1 shows a wind turbine according to the invention in a perspective view, with the wind rotor shown in two different height positions;
Fig. 2 von derselben Windkraftmaschine einen Vertikalschnitt durch das untere Windrotorlager - ausschnittsweise (Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig.l);Fig. 2 of the same wind turbine a vertical section through the lower wind rotor bearing - partial (section along the line II-II according to Fig.l);
Fig. 3 durch dasselbe Windrotorlager einen Horizontalschnitt (Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1 und 2) sowieFig. 3 through the same wind rotor bearing a horizontal section (section along the line III-III according to Fig. 1 and 2) and
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer Windkraftmaschine im Vertikalschnitt - ausschnittsweise und in der Fig.2 entsprechenden Darstellung.Fig. 4 an alternative embodiment of a wind turbine in vertical section - partial and in the representation corresponding to Fig.2.
Bei der (ersten) Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 ist ein insgesamt mit 10 bezeichneter Tragmast auf dem Erdboden 12, auf einem Gebäude oder einem anderen erdfesten Bauteil senkrecht errichtet. Er kann im Bedarfsfalle in geeigneter Weise verspannt sein. Beispielhafte Möglichkeiten hierzu finden sich in der DE 28 12 465 Al.In the (first) embodiment according to Fig. 1 to 3, a support mast, designated as a whole by 10, is erected vertically on the ground 12, on a building or another earth-fixed component. If necessary, it can be braced in a suitable manner. Examples of possibilities for this can be found in DE 28 12 465 A1.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Windkraftmaschine weist einen als Windturbine, Windrad oder dergleichenThe wind power machine, designated as 1 in its entirety, has a wind turbine, wind wheel or similar
dienenden Windrotor 3 auf. Dieser weist vom Wind antreibbare Antriebsflügel 2 oder dergleichen auf und besitzt eine vertikal sich erstreckende Drehachse 4.serving as a wind rotor 3. This has drive blades 2 or the like that can be driven by the wind and has a vertically extending axis of rotation 4.
Die Windkraftmaschine 1 weist ferner einen Generator 5 zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie auf. Dieser besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 aus zwei axial voneinander beabstandeten Generatoren 5A und 5B. Die Generatoren 5A und 5B werden von dem Windrotor 3 in weiter unten noch näher erläuterter Weise angetrieben.The wind power machine 1 also has a generator 5 for converting mechanical energy into electrical energy. In the embodiment according to Fig. 1 to 3, this consists of two generators 5A and 5B that are axially spaced apart from one another. The generators 5A and 5B are driven by the wind rotor 3 in a manner explained in more detail below.
Die beiden Generatoren 5A und 5B sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich durch drei gleichmäßig über den Rotorumfang verteilte kreissegmentförmige Antriebsflügel 2 miteinander verbunden, die mit jedem ihrer beiden Enden jeweils in kreisringförmigen Lagerplatten 6 am Tragmast 10 enden. Die Tragplatten 6 sind mit dem radial äußeren Bauteil der Generatoren 5A und 5B drehfest verbunden bzw. drehfest verbindbar, so daß sie die drehbaren Generatorteile in eine Drehbewegung um die Drehachse 4 versetzen können, die gleichzeitig die Generatorachse sowie die Tragmastachse ist.In the embodiment shown, the two generators 5A and 5B are connected to one another only by three circular segment-shaped drive blades 2 that are evenly distributed over the circumference of the rotor and that end with each of their two ends in circular ring-shaped bearing plates 6 on the support mast 10. The support plates 6 are connected in a rotationally fixed manner to the radially outer component of the generators 5A and 5B or can be connected in a rotationally fixed manner so that they can set the rotatable generator parts in a rotational movement about the axis of rotation 4, which is simultaneously the generator axis and the support mast axis.
Um nun den Windrotor nebst des Generators 5, 5A, 5B bezüglich des Tragmastes 10 in einer bestimmten Höhe tragend zu halten und drehbar zu lagern, sind Halter 7 vorgesehen, die den Tragmast 10 mehr oder minder vollständig umfassen und mittels an ihnen angreifenden Wälzlagern 8A, RB und 9A, 9B (siehe Fig. 2) versehen sind. Gleichzeitig sind die Halter 7 derart ausgebildet, daß sie eine Höhenverstellung des gesamten Windrotors 3 am Tragmast 10 gestatten. Dies ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet. Durch diese Höhenverstellbarkeit kann der Windrotor 3 entsprechend der aktuellen Windstärke in größerer oder niedrigerer Höhe über der Erde ar-In order to support the wind rotor together with the generator 5, 5A, 5B at a certain height relative to the support mast 10 and to mount it so that it can rotate, holders 7 are provided which more or less completely surround the support mast 10 and are provided with roller bearings 8A, RB and 9A, 9B (see Fig. 2) engaging with them. At the same time, the holders 7 are designed in such a way that they allow the height of the entire wind rotor 3 to be adjusted on the support mast 10. This is indicated by dashed lines in Fig. 1. This height adjustability allows the wind rotor 3 to work at a higher or lower height above the ground depending on the current wind strength.
beiten, d. h. in Bereichen relativ größerer und relativ geringerer Windgeschwindigkeit. Bekanntlich nimmt die Windgeschwindigkeit zur Erdoberfläche hin aufgrund zunehmender Reibungsverluste ab. Dieser bekannte Effekt wird bereits bei der aus der DE 28 12 465 Al bekannten Windkraftmaschine genutzt und soll bei der erfingungsgemäßen Windkraftmaschine eine einfach Anpassung an die am Aufstellungsort der Windkraftmaschine jeweils herschende Windstärke ermöglichen.work, i.e. in areas of relatively higher and relatively lower wind speeds. It is known that the wind speed decreases towards the earth's surface due to increasing friction losses. This known effect is already used in the wind turbine known from DE 28 12 465 Al and is intended to enable the wind turbine according to the invention to be easily adapted to the wind strength prevailing at the location of the wind turbine.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind die beiden Generatoren 5A und 5B lediglich durch die Antriebsflügel 2 in axialer Richtung miteinander verbunden. Es ist aber auch möglich, sie in der Nähe des Tragmastes 2 unmittelbar miteinander zu verbinden. Z. B. können die bezüglich des Tragmastes 10 drehfest gelagerten Halter 7 miteinander druck- und zugfest verbunden sein. Dies kann die Leichtgängigkeit der Höhenverstellung des Windrotors 3 verbessern.In the embodiment according to Fig. 1, the two generators 5A and 5B are only connected to one another in the axial direction by the drive blades 2. However, it is also possible to connect them directly to one another near the support mast 2. For example, the holders 7, which are mounted in a rotationally fixed manner with respect to the support mast 10, can be connected to one another in a pressure- and tension-resistant manner. This can improve the ease of adjusting the height of the wind rotor 3.
Anstelle der in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Antriebsflügelform, die vom sogenannten Darrieus-Rotor bekannt ist, können auch sämtliche andere Antriebsflügelformen verwendet werden, die zum Antrieb eines Windrotors mit vertikal sich erstreckender Achse geeignet sind, z. B. mit Antriebsflügeln, wie sie aus der DE 28 12 465 Al bekannt sind, oder über eine vergleichsweise große vertikale Länge sich erstreckende und dafür einen geringeren Durchmesser aufweisende Windrotoren in Zylinder- bzw. Walzenform oder dergleichen mehr.Instead of the drive blade shape shown as an example in Fig. 1, which is known from the so-called Darrieus rotor, all other drive blade shapes can also be used that are suitable for driving a wind rotor with a vertically extending axis, e.g. with drive blades as known from DE 28 12 465 A1, or wind rotors in cylinder or roller form that extend over a comparatively large vertical length and have a smaller diameter, or the like.
Schließlich sind in Fig. 1 Hilfsantnebsflügel 13 dargestellt, die koaxial im Bereich der Generatoren 5A und 5B vorgesehen sind und als Anlaufhilfe für den Windrotor 3 und/oder den Generator 5 dienen können. Entsprechend kann zwischen dem Generator 5 und dem Rotor 3 und/oder dem Hilfsrotor 13 eine lösbare Kupplung vorgesehen sein.Finally, auxiliary drive blades 13 are shown in Fig. 1, which are provided coaxially in the area of the generators 5A and 5B and can serve as a starting aid for the wind rotor 3 and/or the generator 5. Accordingly, a detachable coupling can be provided between the generator 5 and the rotor 3 and/or the auxiliary rotor 13.
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Wie sich aus Fiq. ? ergiht, kann der Trapmast, in mit einander diametral gegenüber! leqenden achsparal T ei en Längsnuten 14 mit einer darin vorgesehenen Zahns tangenanordnunp 15 versehen sein. Die Zahnstanqenanordnunq 15 ist der Übersichtlichkeit halber nur in einzelnen Längsabschnitten dargestellt, sie erstreckt sich üblicherweise aber über größere oder gar die gesamte Hohe des möglichen vertikalen Verfahrweges des Windrotors 3. Einander diametral gegenüberliepende sich achsparallel in der äußeren Tragmastoberfläche erstreckende Führungsnuten IR ermöglichen eine passgenaue spielarme Führung des Rotors 3 entlang seines Höhenverstel1-weges und verhindern im Zusammenwirken mit Passfedern 17 oder dergleichen (Fig. 3) ein Werdrehen des Halters 7 bezügliche des Tragmastes 1.0. An dem Halter 7 sind Zahnräder 18 an horizontal sich erstreckenden Achsen drehbar gelagert und derart befestigt, daß sie mit den Zahnstangenanordnungen 15 am Tragmast ID kämmen und somit eine vertikale l'erfahrbarkeit des Rotors 13 am Tfagmast 1° ermöglichen. Als Stellantriebe dienen Stellmotoren IP, die ebenfalls am Halter 7 angeordnet sind.As can be seen from Fig. ? , the trap mast can be provided with a rack arrangement 15 in diametrically opposed, axially parallel longitudinal grooves 14. For the sake of clarity, the rack arrangement 15 is only shown in individual longitudinal sections, but it usually extends over a large or even the entire height of the possible vertical travel path of the wind rotor 3. Diametrically opposed guide grooves IR extending axially parallel in the outer support mast surface enable precise, low-play guidance of the rotor 3 along its height adjustment path and, in conjunction with keys 17 or the like (Fig. 3), prevent the holder 7 from rotating relative to the support mast 1.0. Gears 18 are rotatably mounted on horizontally extending axes on the holder 7 and are fastened in such a way that they mesh with the rack arrangements 15 on the support mast ID and thus enable the rotor 13 on the support mast to be moved vertically 1°. Actuators IP, which are also arranged on the holder 7, serve as actuators.
Der Halter 7 nimmt einen oder mehrere ringzylindrisch geformte Magnetkerne 20 auf, die als Stator des Generators 5 dienen. Darüberhmaus weist Halter 7 die drehfesten Teile PA und 9A der Wälzlager BA/B, 9A/B auf.The holder 7 accommodates one or more ring-cylindrical magnetic cores 20, which serve as the stator of the generator 5. In addition, the holder 7 has the rotationally fixed parts PA and 9A of the rolling bearings BA/B, 9A/B.
Das untere Wälzlager 9A/R nimmt die Gewichtskraft des Rotors 3 auf, während das Wälzlager RA/B ausschließlich Führungsaufgaben übernimmt.The lower roller bearing 9A/R absorbs the weight of the rotor 3, while the roller bearing RA/B only performs guiding tasks.
Am radial inneren Teil des Rotors sind rinqzylinderförmig geformte elektromagnetische Spulen ?1 angeordnet, die mit nur geringem Luftspalt den Magnetkern ?0 umgeben. Rei dieser Anordnung von Magnetkern und Spulen müssen ansich he—On the radially inner part of the rotor, ring-cylindrical electromagnetic coils ?1 are arranged, which surround the magnetic core ?0 with only a small air gap. This arrangement of magnetic core and coils must in itself be he—
kannte und in der Zeichnung darum nicht einzeln dargestellte Schleifringe vorgesehen sein, die mit am oder im Tragmast 10 verlegten elektrischen Leitungen oder SchleifLeiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind. Perartige Schleifringe sind entbehrlich, falls die Magnetkerne am Rotor und die Spulen am Halter vorgesehen sind.Slip rings, which are known and therefore not shown individually in the drawing, are provided, which are electrically connected to electrical cables or sliding conductor tracks laid on or in the support mast 10. Slip rings of this type are not required if the magnetic cores are provided on the rotor and the coils on the holder.
Schließlich ist aus Fig. &Dgr; ersichtlich, daß (gemäß Anspruch 2) das nicht drehbewegte Generatorteil mit dem Mast verbunden sein oder von ihm gebildet sein kann. Bei dieser Ausführungsform sind in den Tragmast integrierte, stichpunktiert dargestellte Magnete 2 &eegr; vorgesehen, deren Polschuhe nahe oder an der äußeren Tragmastoberfläche liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, sind über den Tragmastumfang drei Magnete 20 gleichverteilf anaeordnet. Die in Achsrichtung des Tragmastes sich erstreckende Länge der Magnete 20 kann in Teilstücke aufgeteilt sein, wie dies sich aus der Figurenmitte ergibt.Finally, it is clear from Fig. Δ that (according to claim 2) the non-rotating generator part can be connected to the mast or formed by it. In this embodiment, magnets 2η are provided which are integrated into the mast and shown in dotted lines, the pole shoes of which are located near or on the outer mast surface. In the embodiment shown, three magnets 20 are evenly distributed around the circumference of the mast. The length of the magnets 20 extending in the axial direction of the mast can be divided into sections, as can be seen from the middle of the figure.
Der Windrotor 3 weist an seinem tragmastseitigen Innenumfang eine umlaufende, gegebenenfalls in Segmente aufgeteilte kreisringförmige Aussparung 22 auf, die die elektromagnetischen Spulen 21 aufnimmt, welche mit dem Tragmast ID bzw. den Magneten 20 einen möglichst geringen Abstandsspalt aufweisen.The wind rotor 3 has on its inner circumference on the supporting mast side a circumferential circular recess 22, possibly divided into segments, which accommodates the electromagnetic coils 21, which have the smallest possible gap with the supporting mast ID or the magnets 20.
Der Halter 7 besteht lediglich aus kreisringförmigen Elementen 7A und 7B. Zur Erleichterung der Höhenverstellbarkeit des Halters 7 am Tragmast 10 sind die beiden Halterteile 7A und 7B mittels eines oder mehrerer Stege 7C miteinander verbunden. Diese Stege sind in Führungsnuten IP des Tragmastes 10 untergebracht und übernehmen gleichzeitig die Funktion der Passfeder 17 des ersten Ausführungsbeispiels, d. h., sie verhindern ein Mitdrehen des Halters 7 mit demThe holder 7 consists only of circular elements 7A and 7B. To facilitate the height adjustment of the holder 7 on the support mast 10, the two holder parts 7A and 7B are connected to one another by means of one or more webs 7C. These webs are accommodated in guide grooves IP of the support mast 10 and at the same time take over the function of the feather key 17 of the first embodiment, i.e. they prevent the holder 7 from rotating with the
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Rotor 3. Es versteht sich, daß die Stege 7C die allgemeine Umfangskontur des Tragmastes 1n nicht nach radial außen hin überragen dürfen. Vorzugsweise sind sie auf ihrer radialen Außenseite im Querschnitt kreisrund wie der Trapmast 10 geformt und fluchten mit der übrigen Umfangskontur des Tragmastes. Rotor 3. It is understood that the webs 7C must not project radially outwards beyond the general circumferential contour of the support mast 1 n . Preferably, their cross-section on their radial outer side is circular like the trap mast 10 and they are flush with the remaining circumferential contour of the support mast.
Während der Tragmast 10 bei dem Ausführunqsbeispiel gemäß Fig. &Dgr; vorteilhafter Weise einen kreisrunden Außenumfang aufweist, kann er bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ohne weiteres einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Vorteilhafter Weise ist der Tragmast 10 innen hohl ausgebildet.While the support mast 10 in the embodiment according to Fig. 6 advantageously has a circular outer circumference, in the first embodiment according to Figs. 1 to 3 it can easily have a non-circular cross-section. The support mast 10 is advantageously hollow on the inside.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, with a height-adjustable holder on the support mast that carries the wind rotor and is rotatably mounted
characterized,
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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