Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Generator oder Motor, z. B. Generator für eine Windkraftanlage, in Scheibenbauweise, mit einem Maschinengehäuse und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer, welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen gebildet wird und mit einer Läuferscheibe, an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile angeordnet sind, wobei die Läuferscheibe u nter Bildung eines Spaltes zwischen Primärteilen und Sekundärteilen innerhalb des Maschinengehäuses rotiert und wobei an die Läuferscheibe eine Läuferwelle drehfest angeschlossen oder anschließbar ist.

Eine solche scheibenförmige elektrische Maschine mit einem scheibenförmigen Luftspalt ist beispielsweise aus der DE 10 2006 013 590 A1 bekannt. Sie kann als Generator für Windkraftanlagen eingesetzt werden. Aus der DE 698 30 264 T2 ist ebenfalls eine Windkraftanlage m it einem Generator in Scheibenbauweise der eingangs beschriebenen Art bekannt. Eine solche Maschine wird dort auch als diskoidale Maschine bezeichnet. Der Windkraftrotor, der in der Regel aus Rotorblättern und Rotornabe besteht, ist über eine Welle unmittelbar drehfest mit der Läuferscheibe des Generators verbunden, ohne dass ein mechanisches Übersetzungsgetriebe eingesetzt wird. Die Welle ist in herkömmlicher Weise drehbar in dem Gehäuse der Windkraftanlage bzw. in dem Generatorgehäuse gelagert.

Problematisch bei elektrischen Maschinen und insbesondere Generatoren in Scheibenbauweise ist insbesondere bei großen Dimensionen die Tatsache, dass der Luftspalt zwischen Primärteilen und Sekundärteilen bei sehr geringen Ausmaßen möglichst konstant gehalten werden muss. Insbesondere bei den

hohen Kräften, die im Bereich von Windkraftanlagen entstehen, führt dieses in der Praxis zu Problemen. - Hier setzt die Erfindung ein.

Im Übrigen kennt man aus der EP 1 394 406 A2 eine Windkraftanlage, deren Windkraftrotor direkt mit einem Magnete tragenden Läuferring eines Generators verbunden ist, wobei die Rotorblätter des Rotors auf dem Läuferring und/oder einer axialen Verlängerung des Läuferrings angeordnet sind . So kann der Läuferring eine konische Verlängerung aufweisen, auf der Rohransätze zur jeweiligen Aufnahme eines drehbar gelagerten Rotorflügels angeordnet sind. Die Baueinheit aus Läuferring und Verlängerung ist über ein einziges, zur Abtragung von zur Rotorebene senkrechten Kippkräften geeignetes Momentenwälzlager auf einer rohrförmigen Tragstruktur gelagert, welche mit Ständerwicklungen versehen ist, die an der Innenseite des Läuferrings angebrachten Permanentmagneten gegenüberl iegen . Insofern handelt es sich um einen Generator in Spezialbauweise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, z. B. einen Generator für eine Windkraftanlage oder dergleichen zu schaffen, die sich bei einfachem und robusten Aufbau durch hohe Funktionsfäh ig keit und Betriebssicherheit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Generator oder Motor, z. B. bei einem Generator für eine Windkraftanlage, dass die Läuferscheibe über zumindest eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung in dem Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, wobei die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt. - Außenumfangsseitige Wälzlageranordnung meint im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass die Wälzlageranordnung - bezogen auf den Radius

(bzw. den Mittelpunkt) der Läuferscheibe - außerhalb der Primärteile und Sekundärteile angeordnet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich der Aufbau und die Funktionsfähigkeit einer elektrischen Maschine in Scheibenbauweise deutlich verbessern lassen, wenn die herkömmliche Innenlagerung der Läuferwelle durch eine Außenlagerung bzw. periphere Lagerung im Außenumfangsbereich der Läuferscheibe ersetzt wird oder wenn eine herkömmliche Wellenlagerung bzw. Innenlagerung zumindest durch eine derartige Außenlagerung ergänzt wird . Die Außenlagerung gewährleistet, dass selbst bei hohen Kräften bzw. hohen Drehmomenten, die beispielsweise bei einer Windkraftanlage über den Windkraftrotor erzeugt und auf die Läuferwelle und damit auch die Läuferscheibe übertragen werden, nicht zu nennenswerten Änderungen des Luftspaltes zwischen Primärteilen und Sekundärteilen führen. Die Außenlagerung gewährleistet folglich, dass der Luftspalt zwischen Primärteilen und Sekundärteilen mit hoher Genauig keit konstant gehalten wird . Die in der Praxis beobachteten Probleme, die sich beispielsweise bei Windkraftanlagen durch Änderungen des Luftspaltes im Bereich des Generators ergeben, können damit vermieden werden. Es wird folglich eine momentenfähige Lageranordnung im Bereich des Außenumfangs der Läuferscheibe vorgesehen, so dass sowohl Radial kräfte als auch Axialkräfte in beiden Richtungen zuverlässig aufgenommen werden können.

Eine solche außenumfangsseitige Wälzlageranordnung für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte kann sich grundsätzlich aus mehreren Lagern zusammensetzen, z. B. einem Radiallager und zwei Axiallagern, wobei vorzugsweise das Radiallager im Bereich der Stirnfläche der Läuferscheibe und die Axiallager an den beiden Seitenflächen der Läuferscheibe angeordnet sind. Die stirnflächig angeordneten Radiallager stützen die Läuferscheibe folglich außenumfangs-

seitig ab, während die beiden Axiallager die Läuferscheibe seitlich abstützen und damit die Axialkräfte (bezogen auf die Achse der Läuferscheibe) aufnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die außenumfangsseitige Wälzlageranordnung jedoch von einem kombinierten Wälzlager für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte gebildet werden. Solche momentenfähigen kombinierten Lager und insbesondere auch Großwälzlager sind aus der Praxis bekannt. Sie können z. B. als Schräglager und besonders bevorzugt als Vierpunktlager ausgebildet sein. Ein solches Schräglager bzw. Vierpunktlager wird dann vorzugsweise im Bereich der Stirnfläche der Läuferscheibe montiert.

Die Primärteile der elektrischen Maschine sind in an sich bekannter Weise vorzugsweise als Spu len ausgebildet, während d ie Seku ndärteile der elektrischen Maschine vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Permanentmagneten ausgebildet sind. Eine solche elektrische Maschinen in Scheibenbauweise lehnt sich an das Funktionsprinzip einer Linearmaschine, z. B. eines Linearmotors an. Funktionell lässt sich der Motor in Scheibenbauweise mit einem zu einem Kreisring "aufgewickelten" Linearmotor vergleichen. Gleiches gilt für einen entsprechenden Generator. Die auf einem Kreisring angeordneten Magnete und Spulen sind vorzugsweise auf einem verhältnismäßig großen Radius angeordnet, so dass aufgrund der günstigen Hebeverhältnisse große Drehmomente bei gleichzeitig recht kompaktem Aufbau erzeugt werden. Damit kann es im Rahmen der Erfindung beispielsweise auch möglich werden, auf zwischengeschaltete Getriebe zu verzichten.

Die elektrische Maschine in Scheibenbauweise ist vorzugsweise als Synchronmaschine ausgebildet.

Grundsätzlich kann es ausreichen, lediglich auf einer Seitenfläche der Läuferscheibe Sekundärteile vorzusehen, so dass dann auch lediglich ein Kreisring mit Primärteilen erforderlich ist. Besonders bevorzugt weist die elektrische Masch ine in einer Doppel kammanordnung jedoch auf beiden Seiten der Läuferscheibe jeweils mehrere auf einem Kreisring angeordnete Permanentmagneten auf, wobei jedem der von den Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnetringe jeweils ein von den Spulen gebildeten Spulenring zugeordnet ist. Die Erfindung umfasst dabei zunächst einmal Ausführungsformen mit lediglich einer Läuferscheibe. Optional umfasst die Erfindung aber auch Ausführungsformen, bei welchen die Maschine als Mehrscheiben-Maschine ausgebildet ist und zumindest zwei parallel zueinander angeordnete und auf eine gemeinsame Läuferwelle arbeitende Läuferscheiben aufweist. Bei einer solchen Anordnung mit mehreren Läuferscheiben kann es ausreichen, lediglich im Bereich einer Läuferscheibe (oder bei lediglich einigen Läuferscheiben) eine geeignete außenumfangsseitige Lageranordnung für sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte vorzusehen . Bevorzugt wird eine solche Lageranordnung jedoch bei beiden bzw. bei allen Läuferscheiben vorgesehen.

Die Erfindung betrifft auch eine Windkraftanlage mit einem Windkraftrotor und mit einem Generator der beschriebenen Art, wobei der Windkraftrotor dann in an sich bekannter Weise diesen erfindungsgemäßen Generator antreibt bzw. betreibt. Der Windkraftrotor weist üblicherweise mehrere Rotorblätter auf, welche an einer gemeinsamen Rotornabe befestigt sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Windkraftrotor über ein Getriebe mit dem Generator verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Rotor (z. B. dessen Rotornabe) jedoch drehfest und direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Läuferwelle des Generators verbunden.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass bei einer solchen Windkraftanlage der Rotor selbst nochmals in geeigneter Weise über Wälzlageranordnungen rotierend gelagert ist. Der erfindungsgemäße Generator in Scheibenbauweise mit Außenlagerung ermöglicht es in besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung jedoch, dass der Windkraftrotor ausschließlich und unter Verzicht auf weitere Lager im Bereich der Läuferwelle oder auch Rotorwelle über die Lageranordnung der Läuferscheibe abgestützt ist. Selbst die hohen Kippmomente, d ie von den Rotorblättern bzw. von dem gesamten Windkraftrotor erzeugt oder übertragen werden, lassen sich mit Hilfe der Großwälzlager im Bereich der Läuferscheibe aufnehmen. Besonders vorteilhaft ist dabei d ie Tatsache, dass die hohen Kippmomente aufgrund der erfindungsgemäßen Lagerung nicht zu einer nennenswerten Variation des Luftspaltes im Bereich der Primärteile und Sekundärteile führen.

Bei einer solchen Windkraftanlage kann es sich um eine Windkraftanlage mit einer Leistung von mehr als 10 MW handeln. Unter Berücksichtigung des hohen Eigengewichtes des Rotors und der zusätzlich sehr hohen Windkräfte kann es zu einer Übertragung von Drehmomenten von bis zu 300 bis 400 t ^■ m (Tonnen x Meter) kommen. Dennoch lässt sich die Spaltweite des Luftspaltes mit hoher Genauigkeit einhalten.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Luftspalt eine Breite von weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, z. B. 1 mm bis 2 mm aufweist. Ein solcher Luftspalt soll mit einer Toleranz von ± 0,1 mm eingehalten werden.

Es kann im Übrigen zweckmäßig sein, die Lageranordnung abzudichten und eine Schmierung, z. B. Ölschmierung vorzusehen. Eine solche Schmierung und insbesondere Ölschmierung der Lagerung kann außerdem für eine ausreichend g leich mä ßige Tem perierung des Rotors sorgen . Dad urch kön nen d ie gewünschten Spaltmaße und/oder die einwandfreie Funktion der Lagerung gewährleistet werden. Im oberen Bereich der Lageranordnung kann eine Zuleitung vorgesehen sein im unteren Bereich kann eine Ableitung, z. B. in Form von Abiaufbohrungen vorgesehen sein. Ferner kann es zweckmäßig sein, den Ständer bzw. dessen Spulen mit einer Kühlung zu versehen.

Optional besteht die Möglichkeit, die Lageranordnungen durch geeignete Kunststoffe oder Keramik elektrisch zu isolieren, so dass vermieden wird, dass Kriechströme die Lager beschädigen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ausschnittsweise und stark vereinfacht eine Windkraftanlage mit einem elektrischen Generator in Scheibenbauweise,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand nach Fig. 1 , Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 in einer abgewandelten Ausführungsform und

Fig. 4 ausschnittsweise den Gegenstand nach Fig. 1 in einer abgewandelten Ausführungsform.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine soll am Beispiel eines Generators für eine Windkraftanlage erläutert werden. Fig. 1 zeigt dazu ausschnittsweise eine Windkraftanlage mit einem Windkraftrotor 1 , welcher einerseits mehrere Rotorblätter 2 und andererseits eine Rotornabe 3 aufweist, wobei die Rotorblätter 2 an der Rotornabe 3 befestigt sind. Dabei ist in Fig. 1 angedeutet, dass die Rotorblätter verstellbar (nämlich drehbar um die Achse 21 ) an der Rotornabe 3 befestigt sind. Die gesamte Gondel 22 ist drehbar um die Achse 23 auf dem Mast 24 befestigt.

Ferner weist die Windkraftanlage in der Gondel 22 eine elektrische Maschine auf, die als Generator 4 ausgebildet ist. Auf diesen Generator 4 arbeitet der Rotor 1 . Es handelt sich um einen Generator 4 in Scheibenbauweise mit einem Masch inengehäuse 5 und einem an dem Maschinengehäuse befestigten Ständer 6, welcher von mehreren auf einem Kreisring angeordneten Primärteilen 7 gebildet wird. Ferner weist die elektrische Maschine eine Läuferscheibe 8 auf, an welcher mehrere auf einem Kreisring angeordnete Sekundärteile 9 angeordnet sind. Die Primärteile 7 sind als Spulen ausgebildet, während die Sekundärteile 9 als Permanentmagnete ausgebildet sind. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt. In Fig. 1 ist erkennbar, dass es sich um eine elektrische Maschine 4 in einer Doppelkammanordnung handelt, bei welcher auf beiden Seiten der Läuferscheibe 8 jeweils mehrere auf einem Kreisring angeordnete Permanentmagnete 9 vorgesehen sind, wobei jedem der von den Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnetringe jeweils ein von Spulen 7 gebildeter Spulenring zugeordnet ist.

Die Windkraftanlage bzw. deren Generator 4 wandelt folglich die kinetische Energie, die aufgrund der Windkraft mit Hilfe des Windkraftrotors 1 erzeugt

wird, in elektrische Energ ie um und speist sie in bekannter Weise in ein Stromnetz ein.

Dabei ist im Ausführungsbeispiel erkennbar, dass der Rotor 1 bzw. dessen Rotornabe 3 direkt und ohne Zwischenschaltung eines Getriebes drehfest mit der Läuferwelle 1 0 und folglich mit der Läuferscheibe 8 verbunden ist. Die drehfest mit der Läuferscheibe 8 verbundene Läuferwelle 10 bildet folglich zugleich die Rotorwelle, die drehfest mit der Rotornabe 3 verbunden ist. Der erfindungsgemäße Generator 4 zeichnet sich nun gemäß Fig. 1 durch eine Außenlagerung und folglich eine periphere Lagerung aus. So ist in Fig . 1 erkennbar, dass die Läuferscheibe 8 über eine außenumfangsseitige Wälzlageranordnung 1 1 in dem Maschinengehäuse 5 drehbar gelagert ist. Dabei handelt es sich um eine momentenfähige Lageranordnung 1 1 , welche sowohl die Radialkräfte als auch die Axialkräfte in beiden Richtungen aufnimmt. Die Begriffe Axialkräfte und Radialkräfte beziehen sich hier auf die in Fig. 1 ebenfalls angedeutete Rotationsachse 12 der Läuferscheibe 8, die im Ausführungsbeispiel mit der Rotationsachse des Windkraftrotors zusammenfällt. Die außenumfangsseitige Lagerung ist im Ausführungsbeispiel derart realisiert, dass die Wälzlageranordnung 1 1 bezogen auf den Radius der Läuferscheibe 8 und folglich bezogen auf den Mittelpunkt der Läuferscheibe 8 außerhalb der Primärteile 7 und Sekundärteile 9 angeordnet ist. So ist in Fig. 1 erkennbar, dass der Abstand der Lageranordnung 1 1 von der Rotationsachse 1 2 und folglich vom Mittelpunkt der Läuferscheibe 8 größer ist als der Abstand der Primärteile 7 und der Sekundärteile 9 von der Rotationsachse 12. Fig. 1 zeigt im Übrigen, dass auf weitere Lager für den rotierend angeordneten Rotor 1 verzichtet werden kann. Sämtliche Kippkräfte, die durch das Eigengewicht des Rotors 1 und durch die Windkräfte erzeugt werden, werden folglich von der

momentenfähigen Lageranordnung 1 1 aufgenommen . Der in den Figuren lediglich angedeutete Luftspalt 13 zwischen Primärteilen 7 und Sekundärteilen 9 kann dabei durch die erfindungsgemäße Lageranordnung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen konstant gehalten werden.

Nach der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird die momentenfähige Lageranordnung 1 1 von einem kombin ierten Lager gebildet, welches im Ausführungsbeispiel als Vierpunktlager 14 ausgebildet ist. Es handelt sich um eine Sonderbauform eines Kugellagers und insbesondere um eine Sonder- bauform eines Schrägkugellagers, welches nicht nur Radialkräfte, sondern auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen kann. Im Axialschnitt besteht die Kontur der Laufbahnen von Innenring und Außenring aus Kreisbögen, die Spitzbögen bilden. Der Innenring der Vierpunktlager kann geteilt ausgebildet sein, so dass eine große Anzahl von Kugeln eingebracht werden kann . Alternativ können auch einreihige oder zweireihige Schrägkugellager verwendet werden. Das in Fig. 2 dargestellte Vierpunktlager 14 ist außenumfangsseitig im Bereich der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe angeordnet. Dabei ist erkennbar, dass das Maschinengehäuse 5 in d iesem Bereich einen im Querschnitt U-förmigen Gehäuseabschnitt mit einerseits U-Basis 16 und andererseits U-Schenkeln 17 aufweist. Das Vierpunktlager 14 ist folglich zwischen der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe und der Innenseite der U-Basis 16 angeordnet. Die Primärteile 7 sind innenseitig an den U-Schenkeln 17 befestigt, während die Sekundärteile 9 außenseitig auf den beiden Seitenflächen 18 der Läuferscheibe 8 montiert sind. In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Lageranordnung 1 1 nicht von einem einzigen kombinierten Lager gebildet wird, sondern bei dem die Lageranordnung 1 1 einerseits ein Radiallager 1 9 und andererseits zwei Axiallager 20 aufweist. Das Rad iallager 1 9 ist außenumfangsseitig im Bereich der Stirnfläche 15 der Läuferscheibe und folglich

zwischen Stirnfläche 15 und U-Basis 16 angeordnet, während die beiden Axiallager 20 beidseitig der Läuferscheibe auf den Seitenflächen 18 der Läuferscheibe angeordnet sind (vgl. Fig. 3). Im Übrigen ist in Fig. 4 angedeutet, dass in abgewandelter Ausführungsform nicht nur auf jeder Seite der Läuferscheibe 8 ein Kreisring mit Sekundärteilen 9 angeordnet sein kann, sondern dass auch mehrere konzentrische Kreisringe realisiert werden können. Die in den Figuren dargestellten Lageranordnungen sind als Kugellager ausgebildet. Die Erfindung umfasst jedoch grundsätzlich auch andere Wälzlagertypen, z. B. Rollenlager.

Auch wen n der erfind ungsgemäße Generator besonders bevorzugt im Zusammenhang mit einer Windkraftanlage eingesetzt wird, so umfasst die Erfindung doch auch andere Einsatzzwecke und folglich andere Kraftwerkstypen.

Im Übrigen umfasst die Erfindung nicht nur elektrische Masch inen in der Ausführungsform als Generator, sondern auch elektrische Maschinen in der Ausführungsform als Motor. Auch bei Motoren in Scheibenbauweise kann die erfindungsgemäße außenumfangsseitige Lageranordnung besonders vorteilhaft sein, z. B. für einen Antrieb einer Antriebswalze einer kontinuierlichen Presse. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt.