Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differentialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit dem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem

Differential-Antrieb verbunden ist und wobei das

Differentialgetriebe ein Planetengetriebe ist.

Drehzahlvariable Antriebe, wie z.B. für Energiegewinnungsanlagen oder industrielle Anwendungen, erfordern in vielen Fällen den Einsatz einer variablen Drehzahl, einerseits zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes bzw. der Drehzahl im Triebstrang der Anlage.

Derzeit sind Anlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen, zunehmend in der Form von sogenannten permanentmagneterregten Niederspannungs- Synchrongeneratoren in Kombination mit IGBT-Frequenzumrichtern, erfüllen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass die Anlagen mittels Transformatoren an das Mittelspannungsnetz anzuschließen sind und die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter entsprechend leistungsstark und daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste und ungewollte Ausfälle sind.

Alternativ werden daher auch sogenannte Differenzialantriebe eingesetzt, welche direkt an das Mittelspannungsnetz

angeschlossene fremderregte Mittelspannungsgeneratoren in

Kombination mit einem Differenzialgetriebe und einem

Hilfsantrieb, welcher vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Kombination mit einem IGBT-Frequenzumrichter kleinerer Leistung vorsieht, verwenden. Dieser sogenannte

Servomotor ist aufgrund der meist hohen Getriebeübersetzung sehr hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt.

Die hohe dynamische Beanspruchung führt wiederum zu einer

entsprechend großen thermischen Belastung des Servomotors, was in weiterer Folge ein über dem Standard dimensioniertes Kühlsystem erfordert. Darüber hinaus schlägt die O2010/108209 ein möglichst kleines Massenträgheitsmoment vor, um das Regelungsverhalten für eine Anlage mit Differenzialantrieb zu optimieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine zur Verwendung als Servomotor so auszulegen, dass die Forderungen nach einer ausreichenden Kühlung und einem kleinen

Massenträgheitsmoment in ausreichendem Maße gleichzeitig erfüllt werden .

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Servomotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Damit kann die Forderung nach einer langen Lebensdauer bei hochdynamischer Beanspruchung, wie dies z.B. für

Energiegewinnungsanlagen typisch ist, sowie einem kleinen

Trägheitsmoment in ausreichendem Maße erfüllt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzip eines elektromechanischen

Differenzialsystems mit einem Servomotor gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 den typischen Aufbau eines Servomotors gemäß Stand der

Technik,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Aus ührungsform eines

Servomotors,

Fig . 4 einen Querschnitt des Servomotors gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 den Einfluss der Größe der Lüftungskanäle auf das

Massenträgheitsmoment des Rotors des Servomotors.

Im Folgenden wird das Prinzip eines Differenzialantriebes am Beispiel einer Windkraftanlage beschrieben. Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der Formel Rotor-Leistung = Rotorfläche * Leistungsbeiwert * Luftdichte/2 * Windgeschwindigkeit ³ , wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl {= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer

Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert

basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden

Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im

Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.

Fig. 1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialantriebes für eine Windkraftanlage bestehend aus einer Differenzialstufe 4 als Differentialgetriebe 11 bis 13, einer Anpassungs- Getriebestufe 5, einem elektrischen Servomotor 6 und einem

Frequenzumrichter 7, Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf einer Antriebswelle 2 sitzt, treibt ein Hauptgetriebe 3 an. Das Hauptgetriebe 3 ist meist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei

Planetenstufen und einer Stirnradstufe, kann aber auch, vor allem bei Einsatz von höherpoligen Generatoren, mit weniger Stufen, unter anderem auch in Kombination mit sogenannten Stufenplaneten oder sogenannten leistungsverzweigten Getriebestufen, ausgeführt sein. Zwischen dem Hauptgetriebe 3 und dem Generator 8 befindet sich die Differenzialstufe 4, welche vom -Hauptgetriebe 3 über einen Pianetenträger 12 der Differenzialstufe 4 angetrieben wird. Der Generator 8, vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs- Synchrongenerator , ist mit einem Hohlrad 13 der

Differenzialstufe 4 verbunden und wird von diesem angetrieben. Ein Ritzel 11 der Differenzialstufe 4 ist mit dem Servomotor 6 verbunden. Die Drehzahl des Servomotors 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im Antriebsstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Servomotor 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein mehrstufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 5 in Form einer

Stirnradstufe zwischen der Differenzialstufe 4 und dem Servomotor 6 vorsieht. Da im Bereich des Differenzialantriebes 6 auch ein massive Kupplung 14 als Verbindungselement zwischen Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe liegt, ist unter Umständen ein

entsprechend großer Achsversatz für den Servomotor 6

erforderlich. In diesem Falle kann dies für die

Anpassungsgetriebestufe 5 entweder durch große Zahnraddurchmesser oder eine mehrstufige Ausführung dieser Anpassungsgetriebestufe 5 realisiert werden. Der Servomotor 6 ist eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 7 und einen Transformator 9 mit dem Netz, verbunden wird. Aufgrund der hohen dynamischen Anforderungen wird als Servomotor 6 vorzugsweise eine

permanentmagneterregte Synchronmaschine gewählt. Der Servomotor kann jedoch prinzipiell jede denkbare Art von elektrischer

Maschine sein.

Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet:

Drehzahl _Ganerator = x * Drehzahl _Rotor + y * Drehzahl _{Se vomotor} , wobei die Drehzahi _Generator konstant ist und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getriebeübersetzungen von Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe ableiten lassen. Das Drehmoment am Rotor wird durch das anstehende Windangebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelie und dem am Servomotor ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Antriebsstrang durch den

Servomotor regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den

Servomotor lautet:

Drehmoment _Servoraoco = Drehmoment _Rotcr y / x , wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für das notwendige Auslegungs- Drehmoment des Servomotors ist. Die Leistung des Servomotors ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller

Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl mal Rotor- Leistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des

Servomotors. Das heißt, je kleiner der notwendige Drehzahlbereich an der Antriebswelle ist, desto kleiner kann der erforderliche Servomotor und demzufolge auch der Aufwand für dessen Herstellung und Betrieb sein. Andererseits erfordert ein kleiner Drehzahlbereich ein entsprechend großes Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes , um den Servomotor mit typischen

Nenndrehzahlen - vorzugsweise zw. l.OOOrpm und l.SOOrpm ~ auslegen zu können. Ein großes Übersetzungsverhältnis des

Differenzialgetriebes führt jedoch andererseits zu einer großen dynamischen Belastung des Servomotors, da eine Drehzahländerung am Rotor eine entsprechend große Änderung am Servomotor bedingt. Dies ist der Grund für die eingangs erwähnten Forderungen nach verbesserter Kühlung und kleinem Massenträgheitsmoment des

Servomotors .

Um den Differentialantrieb entsprechend gut ausnutzen zu können, wird dieser sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben. Das führt dazu, dass im motorischen Betrieb Leistung in die Dif erentialstufe 4 eingespeist wird und im generatorischen

Betrieb Leistung der Differentialstufe 4 entnommen wird. Diese Leistung wird im Falle eines elektrischen Differential-Antriebes vorzugsweise in das Netz eingespeist bzw. diesem entnommen. Das heißt, dass die als Servomotor 6 bezeichnete elektrische Maschine sowohl als Motor als auch als Generator betrieben wird.

Die beschriebene Ausführungsform ist nur ein Beispiel und ist bei technisch ähnlichen Anwendungen ebenfalls umsetzbar. Dies betrifft v.a. Wasserturbinen bzw. Pumpen und Anlagen zur

Gewinnung von Energie aus Meeresströmungen. Für diese Anwendungen gelten die gleichen Grundvoraussetzungen wie für

Windkraftanlagen, nämlich variable Strömungsgeschwindigkeit. Die Antriebswelle wird jeweils von der vom Strömungsmedium,

beispielsweise Wasser, angetriebenen Einrichtung direkt oder indirekt angetrieben.

Darüber hinaus gilt das Gesagte auch für jede Art von Anlagen, welche aufgrund der Rahmenbedingungen Differenziaiantriebe zur Realisierung variabler Drehzahl an der Antriebswelle einsetzen, das heißt jede Art von Antrieben für ( Industrie ) Anlagen, welche mit eingeschränktem Drehzahlbereich betrieben werden.

Der am Beispiel der Windkraftanlage genannte Generator 6 ist bei z.B. Industrie- oder Pump-antrieben ein Motor, wobei sich in diesem Fall der zu Fig. 1 beschrieben Leistungsfluss umdreht. Ebenso ist es naheliegend, dass ein Antrieb anwendungsspezifisch sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben wird.

Die WO2010/108209 empfiehlt für ein gutes Regelungsverhalten einer Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb ein maximales Massenträgheitsmoment für den Differenzial-Antrieb J _DA , _majt , welches sich nach folgender Formel berechnen lässt:

wobei f _A ein Applikationsfaktor ist, welcher ein Maß für das zu erzielende Regelungsverhalten der Windkraftanlage ist. Die

Variable s _ges ist das Verhältnis des Drehzahlbereiches des

Differenzial-Antriebes zum Drehzahlbereich des Rotors der

Windkraftanlage (s _gas = Drehzahlbereich Differenzial-Antrieb / Drehzahlbereich Rotor) und J _R ist das Massenträgheitsmoment des Rotors der Windkraftanlage. Mit einem Applikationsfaktor von f _A = 0,2 können laut WO2010/108209 bereits gute Ergebnisse bezüglich Regelungsverhalten erzielt werden. Grundsätzlich wird jedoch festgestellt, dass mit kleiner werdendem f _A noch bessere

Resultate erzielt werden können, wobei für Anwendungen mit kleinerem f _A ein Mehraufwand zur Reduktion der Masse des Rotors des Differenzial-Antriebes notwendig wird.

Gemäß WO2010/108209 ist eine Verringerung des Applikationsfaktors auf z.B. f _A = 0,10 eine weitere, für hochdynamische Anwendungen notwendige Verbesserung. Dies ist jedoch mit zunehmenden

Fertigungskosten für den Rotor des Differenzial-Antriebes verbunden .

Fig. 2 zeigt eine typische Bauform eines Servomotors gemäß Stand der Technik. Auf einer Rotorwelle 21 sitzt das Rotor-Blechpaket 22 mit vorzugsweise sogenannten eingebetteten Permanentmagneten. Diese Bauart wird bevorzugt für Servomotore verwendet, welche auch im sogenannten Feldschwächebereich arbeiten. Eine

alternative, massenträgheitsmomentarme Bauweise wäre, die

Permanentmagnete direkt am Umfang der Rotorwelle 21 zu

befestigen, was jedoch zu wesentlichen Einschränkungen der

Leistungsfähigkeit ( Feldschwächbarkeit , Dynamik, Wirkungsgrad, etc.) des Servomotors führen kann. Im Gehäuse 20 befindet sich der gewickelte Stator 23. Dieses Gehäuse 20 hat z.B. einen integrierten Wassermantel, welcher die Aufgabe hat, die durch die Verlustleistung bedingte Abwärme des Stators abzuführen. Da der permanent-magneterregte Rotor 22 oft nur sehr geringe Verluste hat, wird darauf verzichtet, diesen separat zu kühlen.

Geht man davon aus, dass für eine gute Regelbarkeit der

Applikationsfaktor f _A <0,15 ist, so benötigt man für eine

typische 3MW Windkraftanlage einen Servomotor mit eingebetteten Permanentmagneten und einem Massenträgheitsmoment von <l,6kgm2. Dies lässt sich mit einem Servomotor gem. Fig. 2 zwar

realisieren, erfordert jedoch besondere Maßnahmen in der

Konstruktion .

Darüber hinaus darf man im Falle hochdynamischer Belastungen und bei Betrieb im Feldschwächebereich die thermische Belastung des Rotors 22 nicht vernachlässigen. Erschwerend wirkt der Umstand, dass Permanentmagnete sehr temperaturempfindlich sind und bei Temperaturen über 160°C schnell die Magnetisierung verlieren. Diese Tatsache erfordert eine leistungsstarke Rotorkühlung, um die Lebensdauer des Servomotors in der Höhe von beispielsweise in der Windenergie geforderten 175.000 Betriebsstunden zu

gewährleisten .

Fig. 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Servomotors, welcher oben genannte Voraussetzungen erfüllt. Auf der Rotorwelie 21, welche zur Reduktion des

Massenträgheitsmomentes auch als Hohlwelle ausgeführt sein kann, sitzt ein Blechpaket 25, welches Lüftungskanäle 26 hat. Somit wird der Rotor 33 im Wesentlichen von der Rotorwelle 21 und dem Blechpaket 25 gebildet. Ein Gehäuse weist Lagerschilde 27, einen wassergekühlten Mantel 28 und optional einen oder mehrere

Anbauteile 29 auf, welche Kühlkanäle 30 aufnehmen und entweder mit dem wassergekühlten Mantel 28 mitgegossen bzw. an diesen angegossen sind oder als separate Anbauteile befestigt werden. Durch die Lüftungskanäle 26 und die Kühlkanäle 30 kann ein

Luftstrom zirkulieren, welcher ermöglicht, dass die vom Rotor erhitzte Luft die Wärme beim Durchströmen der Kühlkanäle 30 in den wassergekühlten Mantel 28 des Gehäuses abgibt. Alternativ kann ein separater Wärmetauscher in den Kühlluft-Kreislauf integriert werden. Der Rotor 32 wird beispielsweise so

konstruiert, dass bei dessen Drehbewegung die Luft automatisch in den Kühlluft-Kanälen 26 und 30 zirkuliert. Um jedoch die

Zirkulation zu verbessern, kann ein Lüfterrad 24 an der

Rotorwelle 21 angebracht werden. Alternativ bietet sich an, einen separat (mechanisch oder elektrisch) angetriebenen Lüfter in den Kühlluft-Kreislauf zu integrieren, womit die Kühlung von der Drehzahl und der Drehrichtung der Rotorwelle unabhängig wird. Entscheidet man sich für den Einsatz eines Lüfterrades 24 mit variablem Luftdurchsatz bei verschiedenen Drehrichtungen bzw. Drehzahlen, so ist darauf Augenmerk zu legen, dass die

Drehrichtung mit höherem Kühlluft-Durchsatz die Drehrichtung des Servomotors ist, bei der die höheren Rotorverluste entstehen.

Um ein optimales Gesamtergebnis zu erhalten, werden die Kühlluft- Kanäle für die Führung der Kühlluft bzw. das Lüfterrad 24 bevorzugt so gestaltet, dass auch der Luftspalt zwischen dem Blechpaket 25 und dem Stator 23 durchlüftet und somit gekühlt wird .

Eine weitere Verbesserungsmaßnahme ist, in den Rotor-Blechpaketen 25 im Wesentlichen radiale Lüftungskanäle vorzusehen, in denen die Kühlluft vom Lüftungs kanal 26 im Wesentlichen radial nach außen in den Luftspalt zwischen dem Blechpaket 25 und dem Stator 23 strömen kann. Damit wird, u.a. auch durch die

fliehkraftbedingte Beschleunigung der Kühlluft in den radialen Lüftungskanälen, eine zusätzliche Verbesserung der Kühlung des Rotors 32 erzielt.

Zusätzlich bietet sich der Einsatz von zwei oder mehreren

Lüfterrädern 24, z.B. auf beiden Seiten des Blechpaketes 25, an. Dabei ist als Ausführungsvariante die Drehrichtung für optimalen Luftdurchsatz für die beiden Lüfter gegensinnig auszulegen. Mit diesem Ansatz erreicht man in beide Drehrichtung des Servomotors annähernd gleichen Luftdurchsatz.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Servomotors gemäß Fig. 3. Im Schnitt erkennt man beispielhaft zwei Anbauteile 29, welche die Kühlkanäle 30 aufnehmen. Das Gehäuse kann jedoch auch nur mit einem oder mehr als zwei Anbauteilen 29 ausgeführt werden. Die Anzahl der Anbauteile 29 hängt letztendlich vom Ausmaß der zu kühlenden Verluste und den Fertigungsmöglichkeiten ab. Alternativ können die Angüsse 29 auch entfallen und es kann die durch die Lüftungskanäle 26 strömende Luft auch in einer separaten

Rückkühleinheit gekühlt werden. In Fig. 4 sind in den Kühlkanälen 30 Kühlrippen 31 angeordnet, welche einen verbesserten

Wärmeübergang in den wassergekühlten Mantel 28 des Gehäuses gewährleisten. Zusätzlich oder alternativ kann ein Wärmetauscher in den Kühlluft-Kreislauf integriert werden.

In dieser Schnitt-Darstellung des Servomotors ist ein mögliches, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Lüftungskanäle 26 dargestellt. Anzahl, Form und Position dieser Lüftungs kanäle 26 hängen von der Polpaarzahl des Servomotors und der Ausbildung der Permanentmagnete 34 im Rotor des Servomotors 6 ab. In Fig. 4 sind die Permanentmagnete 34 nur für einen Pol dargestellt, sind jedoch in der realen Ausführung am ganzen Umfang, entsprechend der Polpaarzahl des Rotors 32 des Servomotors, verteilt. Die Lüftungskanäle 26 sollen dabei radial möglichst weit außen liegen, um ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment bzw. eine optimale Kühlung zu realisieren. Die Permanentmagnete 34 werden vorzugsweise im Bereich der Außenkontur des Rotors angebracht. Die Lüftungskanäle sind dann zwischen den Permanentmagneten 34 zu positionieren. Die Permanentmagnete 34 sind pro Pol einfach oder mehrfach ausgeführt und können einschichtig oder auch

mehrschichtig gepackt sein. Weitere Konfigurationsmöglichkeiten sind z.B. V-förmige Anordnung (wie in Fig. 4 einschichtig

dargestellt}, eingebettet oder am Umfang des Rotors befestigt. Hier sind alle technisch realisierbaren Varianten umsetzbar. Die Größe, Anzahl und Lage eisΣ LIiΣtungskanäle 26 wird vorzugsweise so gewählt, dass die im Rotor durch die Permanentmagnete 34

entstehenden Feldstromlinien nicht ode

wirtschaftlich/technisch optimalen Ausmaß unterbrochen werden. Dies wird z.B. durch die im Wesentlichen parallele Anordnung der Wandabschnitte, die den Permanentmagneten 34 benachbart liegen, erreicht. Eine weitere zu erfüllende Rahmenbedingung für die Dimensionierung der Lüftungskanäle 26 ist, dass die mechanische Anbindung an die Rotorweile 21 und das Rotor-Blechpaket 25 selbst mechanisch und elektrisch ausreichend dimensioniert sind. Die Variation des Querschnittes und der Lage der Lüftungskanäle 26 bewirkt eine entsprechend veränderbare Massenträgheit des Rotors 32 des Servomotors 6. Fig. 5 zeigt den Einfluss der Größe der Lüftungskanäle auf das Massenträgheitsmoment des Rotors 32 des Servomotors 6. So ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel, welches ein auf ein kleines Massenträgheitsmoment ausgelegtes Rotordesign unterstellt (wie z.B. ein langgestreckter Rotor 32), die Forderung nach einem Massenträgheitsmoment von < l,6kgm ² , um einen Applikationsfaktor f _A <0,15 zu erreichen, zu erfüllen.

Zur Realisierung eines Massenträgheitsmomentes von 1, Ikgm ² , um einen Applikationsfaktor f _A <0,1 zu erreichen, sind

erfindungsgemäß Lüftungskanäle im Ausmaß von rund 60% des

Blechquerschnittes vorgesehe .

Die zusätzliche Forderung nach einer ausreichenden Kühlung des Rotors wird im Normal fall durch Lüftungs kanäle im Ausmaß von insgesamt rund ^5% des Blechquerschnittes erfüllt. Bei hoher thermischer Belastung des Rotors müssen diese jedoch größer dimensioniert oder deren Anzahl erhöht werden.

Ein guter Kompromiss zwischen mechanischen

Festigkeitserfordernissen und optimalem magnetischem Fluss im Rotor der Servomotors kann durch optimal dimensionierte

Lüftungskanäle 26 im Ausmaß von insgesamt rund 15% bis 30% des Blechquerschnittes erreicht werden. Treten dynamische

Anforderungen stärker in den Vordergrund, ist es empfehlenswert, optimal dimensionierte Lüftungskanäle 26 im Ausmaß von insgesamt rund 45% bis 75% des Blechquerschnittes zu realisieren.