Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Windenergieanlagen, insbesondere das Drehen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gegenüber einer Nabe der Windenergieanlage. Dieses Drehen des Rotorblatts wird auch Pitchen genannt.

Gemäß dem Stand der Technik ist eine aktive Blattverstellung einer Windenergieanlage hinlänglich bekannt. Beispielsweise dient die Blattverstellung zum gezielten Reduzieren der Betriebsdrehzahl bei Windgeschwindigkeiten oberhalb einer definierten Windgeschwindigkeitsschwelle. Andererseits dient die Blattverstellung zum Einstellen einer optimalen Drehzahl des aerodynamischen Rotors einer Windenergieanlage zur Anpassung an die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Blattverstellung erfolgt, indem die Blattwurzel eines Rotorblatts einer Windenergieanlage um die Rotorblattlängsachse gegenüber der Nabe einer Windenergieanlage gedreht wird. Dies erfolgt üblicherweise mit einem Elektromotor, der über ein Getriebe ein Ritzel, also ein kleines Zahnrad, antreibt. Dabei greift das Ritzel, das auch Teil eines Getriebes sein kann, in ein weiteres großes Zahnrad ein, das beispielsweise an der Rotorblattwurzel angeordnet ist. Beispielsweise weist die Rotorblattwurzel entlang ihrem äußeren Umfang eine Außenverzahnung auf, die dann das Zahnrad, in das das Ritzel des Getriebes eingreift, bildet.

Demnach weist das Zahnrad an der Blattwurzel beispielsweise einen Durchmesser von mindestens einem Meter auf, wobei auch Durchmesser von mehreren Metern, zum Beispiel mehr als drei oder mehr als vier Metern, bei Windenergieanlagen mit sehr großen Rotorblättern möglich sind.

Derartige Verdreheinrichtungen stellten bislang eine geeignete Möglichkeit dar, um das Verdrehen des Rotorblatts gegenüber der Rotornabe zu ermöglichen.

Um neben Anforderungen an die Leistungsoptimierung in Abhängigkeit der Windge- schwindigkeit weitere Bedingungen, wie Anforderungen zur Geräuschminimierung oder zur Erhöhung der Standzeiten, zu erfüllen, werden in jüngster Zeit auch die Anforderungen an die Möglichkeiten der Blattverstellung erhöht. Demnach ist es wünschenswert, jedes einzelne Rotorblatt unabhängig von den anderen Rotorblättern sehr häufig und möglichst schnell zu verstellen.

Beispielsweise wäre eine Versteileinrichtung wünschenswert, die innerhalb einer Umdrehung des aerodynamischen Rotors, bei einer üblichen Drehzahl von beispielsweise 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute, große Winkeländerungen eines Rotorblatts ausführen kann. Besonders bevorzugt findet dieses Drehen in die eine und in die andere Richtung innerhalb von einer bis zu wenigen Sekunden statt. Ein Hin- und Herdrehen des Rotorblatts soll ferner während jeder Umdrehung einer Windenergieanlage möglich sein.

Mit den herkömmlichen Versteileinrichtungen sind diese Anforderungen nicht zu erfüllen, da diese zu träge sind, um die gewünschten Geschwindigkeiten beim Verdrehen zu erreichen. Außerdem ist der Verschleiß bei dem gewünschten häufigen Verdrehen aufgrund des hierbei zu erwartenden Verschleißes des Getriebes sehr hoch, sodass geringe Standzeiten die Folge wären.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einem der eingangs genannten Probleme des Standes der Technik zu begegnen. Insbesondere soll eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Versteileinrichtung zur Verfügung gestellt werden, um Rotorblätter einer Windenergieanlage möglichst schnell und häufig gegenüber einer Nabe der Windenergieanlage zu verdrehen.

Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung den folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2010 005 538 A1 , DE 10 2009 018 361 B4, DE 10 2014 203 508 A1 , DE 10 201 1 055 149 A1 , DE 20 2005 015 774 U1 und DE 10 2010 010 639 A1.

Hierzu betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit einem Rotor. Der Rotor kann auch als aerodynamischer Rotor bezeichnet werden. Der Rotor umfasst mindestens ein Rotorblatt und eine Rotornabe. Das Rotorblatt ist um eine Längsachse des Rotorblatts drehbar an der Rotornabe gelagert.

Ferner umfasst die Windenergieanlage eine Versteileinrichtung mit einem Elektromotor, der einen Stator und einen Läufer aufweist. Der Läufer des Elektromotors kann auch als Rotor bezeichnet werden, wobei hier zur Vermeidung der Verwechslung mit dem aerody- namischen Rotor der Windenergieanlage bevorzugt der Begriff Läufer verwendet wird. Erfindungsgemäß ist nun der Läufer fest mit der Rotornabe und der Stator fest mit dem Rotorblatt verbunden. Alternativ ist der Läufer fest mit dem Rotorblatt und der Stator fest mit der Rotornabe verbunden. Fest verbunden bedeutet hier eine getriebelose oder übersetzungslose Verbindung. Unter einer festen Verbindung ist demnach zum Beispiel das Vorhandensein einer direkten Verschraubung, Verschweißung oder Vernietung der entsprechenden Teile miteinander zu verstehen. Gemäß der ersten Alternative kann somit der Läufer als Teil der Rotornabe und der Stator als Teil des Rotorblatts angesehen werden. Gemäß der zweiten Alternative kann somit der Läufer als Bestandteil des Rotorblatts und der Stator als Bestandteil der Rotornabe betrachtet werden.

Dank der Erfindung ist daher keine Übersetzung oder ein Getriebe zum Verstellen des Rotorblatts, also zum Drehen des Rotorblatts um eine Längsachse des Rotorblatts, gegenüber der Rotornabe nötig. Die Versteileinrichtung ist somit getriebelos oder übersetzungslos. Dank dieser getriebelosen oder übersetzungslosen Ausgestaltung der Versteileinrichtung ist somit ein besonders schnelles Verstellen des Rotorblatts möglich.

Bei herkömmlichen bekannten Versteileinrichtungen mit einem Getriebe erfolgt durch das Getriebespiel und die Anlaufzeit des Motors eine zeitliche Verzögerung vom Zeitpunkt des Aktivierens des Elektromotors bis zum tatsächlichen Verstellen des Rotorblatts. Hierdurch erfolgt eine zeitliche Verzögerung, die gemäß der Erfindung nicht mehr auftreten kann. Somit lassen sich dank der Erfindung die Rotorblätter einer Windenergieanlage beispielsweise bei jeder Umdrehung ausrichten. Auch der Verschleiß der Versteileinrichtung ist durch die Getriebelosigkeit minimiert, sodass eine im Vergleich zu herkömmlichen Versteileinrichtungen häufigere Verstellung des Rotorblatts oder der Rotorblätter möglich ist.

Dank der nun möglichen Robustheit und Geschwindigkeit der Versteileinrichtung ist es nunmehr auch möglich, den Azimutantrieb einer Windenergieanlage, der den aerodyna- mischen Rotor mit der Gondel gegenüber dem Turn der Windenergieanlage dreht, zu entlasten. Durch präzises Einstellen der Rotorblätter werden nämlich die auf den aerodynamischen Rotor wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt.

Außerdem wird durch einen bei jeder Umdrehung des Rotors einstellbaren Blattwinkel eine gleichmäßige Blattumströmung und damit eine gleichmäßige Belastung des Rotors hervorgerufen, sodass Geräusche, die durch die Strömung am Blatt sowie aber auch durch Lager des Generators erzeugt werden, reduziert werden. Die Windenergieanlage wird demnach bei gleicher oder sogar höherer Leistung weniger belastet. Eine schnelle Leistungsregelung ermöglicht außerdem bei turbulenter Luftströmung die Rotorblätter so einzustellen, dass die Windenergieanlage näher im Bereich ihrer Leistungsgrenze betrieben wird, da im Falle eines zunehmenden Windes schnell eine Änderung des Blattwinkels möglich ist, sodass die Leistungsgrenzen trotz der Windänderungen nicht übertreten werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Elektromotor ein Schrittmotor. Ein Schrittmotor an sich ist bekannt und entspricht üblicherweise einem Synchronmotor, bei dem vom Stator ein gesteuertes schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Den hierdurch entstehenden Schritten folgt der Läufer, sodass dieser in Abhängig- keit der Steuerung des Stators um einen oder mehrere Schritte gedreht werden kann.

Der Einsatz eines Schrittmotors, der vorliegend auch Ringschrittmotor genannt wird, ist vorteilhaft, da Schrittmotoren robust herstellbar sind und somit zu einer hohen Ausfallsicherheit der Versteileinrichtung beitragen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Stator des Elektromotors mit der Nabe und der Läufer des Elektromotors mit dem Rotorblatt verbunden. Außerdem ist der Motor gemäß dieser Ausführungsform ein Permanentmagnetmotor. Das heißt, der Läufer des Elektromotors wird aus Dauermagneten oder Permanentmagneten gebildet. Diese sind in Ihrer Anordnung in Umfangsrichtung des Läufers vorzugsweise abwechselnd in Nord- und Südpolrichtung ausgerichtet. Dank einem Permanentmagnetmotor ist es nicht nötig, elektrische Energie über Schleifringe zum Läufer zu übertragen, um hier ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die Versteileinrichtung wird somit noch robuster. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnetmotor als Hybridmotor ausgebildet, bei dem die Permanentmagneten des Läufers gezahnt ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer geringeren Schrittweite und somit einer präziseren Einstellung des Rotorblatts.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Rotorblatt drehbar mit einem Wälzlager an der Rotornabe gelagert. Das Wälzlager umfasst einen ersten Ring und einen zweiten Ring, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind. Der Läufer des Elektromotors ist mit dem ersten Ring, insbesondere einem Außenring des Wälzlagers, verbunden oder in den ersten Ring integriert. Außerdem ist der Stator mit dem zweiten Ring, insbesondere einem Innenring des Wälzlagers, verbunden oder in den zweiten Ring integriert. Die Ringe sind entsprechend mit dem Rotorblatt oder der Rotornabe verbunden, sodass über die Ringe der Läufer und der Stator entsprechend mit dem Rotorblatt oder der Rotornabe verbunden sind.

Das Wälzlager dient zum sicheren Halten des Rotorblatts an der Rotornabe, wobei gleichzeitig ein Verstellen des Rotorblatts um die Längsachse des Rotorblatts ermöglicht wird. Demnach ist durch die Lagerung zwischen Rotorblatt und Rotornabe durch das Wälzlager eine Bewegung im Wesentlichen auf die Rotation des Rotorblatts gegenüber der Rotornabe beschränkt. Wird nun - wie gemäß dieser Ausführungsform - der Elektromotor im Bereich des Wälzlagers angeordnet, so lassen sich die Schritte des Läufers gegenüber dem Stator besonders präzise einstellen, da auf Läufer und Stator im Wesent- liehen keine Kräfte ausgeübt werden, die deren Anordnung zueinander verschieben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Läufer und der Stator des Elektromotors in die umlaufenden Bereiche seitlich zu den Führungen der Rollkörper in den ersten und zweiten Ring des Wälzlagers integriert. Ist demnach der Läufer in den ersten Ring integriert und ist der Stator in den zweiten Ring integriert, so lassen sich bei der Montage des Wälzlagers die beiden Ringe zueinander ausrichten und die Rollkörper in die Führung einbringen, wodurch gleichzeitig Läufer und Stator des Elektromotors der Versteileinrichtung zueinander ausgerichtet werden. Eine schnelle Montage ist somit möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor hochpolig und weist vorzugsweise eine Polpaarzahl von mindestens 48 oder mindestens 96 Polen, vorzugsweise mindestens 360 Pole, auf. Durch die hochpolige Ausbildung des Elektromotors ist bereits im Vollschritt oder Halbschritt im Betrieb des Motors eine präzise Verstellung des Blattwinkels möglich. Gleichzeitig ist auch ein ausreichendes Drehmoment trotz verhältnismäßig klein wählbaren Permanentmagneten für die Bewegung des Rotorblatts sowie aber auch für das Halten des Rotorblatts in einer eingestellten Position aufbringbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor im Mikroschrittbetrieb betreibbar und ist ausgebildet, das Rotorblatt in Schrittweiten von weniger als 1 °, vorzugsweise weniger als 0,5°, zum Beispiel 0, 1 "-Schritten, zu drehen. Eine besonders präzise Einstellung der Rotorblattwinkel auf die vorherrschenden Strömungsverhältnisse ist somit möglich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Stator einen Durchmesser von mindestens einem Meter, vorzugsweise mindestens zwei oder mindestens drei Metern, auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor im Bereich der Blattwurzel entlang dem Umfang der Blattwurzel angeordnet.

Dank dieser Anordnung bzw. des großen Durchmessers ist somit ein Schrittmotor mit hohem Drehmoment realisierbar, der aus einer Vielzahl von Polen mit verhältnismäßig geringen magnetischen bzw. elektrischen Feldern realisiert werden kann. Es können demnach beispielsweise handelsübliche Permanentmagneten für Motoren eingesetzt werden, ohne dass besonders starke Permanentmagneten, die gleichzeitig sehr teuer sind, Verwendung finden müssen. Außerdem lässt sich somit der Schrittmotor in geeigneter Weise als Ringschrittmotor ausbilden, das heißt, dass das Zentrum des Stators bei- spielsweise offen oder mit einem Durchgang ausgestattet werden kann, um hierdurch beispielsweise elektrische Leitungen, beispielsweise für Sensoren am Rotorblatt, vom Rotorblatt zur Rotornabe hindurchzuführen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versteileinrichtung mindestens einen Sensor, der am Rotorblatt angeordnet ist und eingerichtet ist, den Luftdruck zu messen. Außerdem umfasst die Versteileinrichtung eine Steuerung, die eingerichtet ist, den Elektromotor in Abhängigkeit des mit dem Sensor gemessenen Luftdrucks anzusteuern. Somit ist es möglich, dass sich das Rotorblatt immer ideal auf ändernde Luftströmungen ausrichten kann und somit eine gleichmäßige, auf den ganzen Rotor verteilte Last erhalten wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Versteileinrichtung mindestens zwei Sensoren, wobei der erste Sensor im Bereich der Blattspitze auf der Saugseite und der zweite Sensor im Bereich der Blattspitze auf der Druckseite angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckseite messen, sodass das Rotorblatt in Abhängigkeit dieses Differenzdrucks auf eine ideale Umströmung einstellbar ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor eingerichtet, das Rotorblatt gegenüber der Nabe innerhalb einer Umdrehung des Rotors um mindestens 40 Grad oder mindestens 50 Grad, vorzugsweise bis zu 60 Grad, um eine Längsachse des Rotorblatts zu verdrehen. Wenn hier von 60 Grad die Rede ist, dann ist einerseits eine Drehung von 60 Grad in eine Richtung, allerdings auch eine Drehung von 30 Grad in die eine und 30 Grad in die entgegengesetzte Richtung gemeint.

Durch den Einsatz eines derartig schnellen Motors ist es möglich, auch auf turbulente Windströmungen schnell reagieren zu können. Ferner umfasst die Erfindung eine Versteileinrichtung einer Windenergieanlage, vorzugsweise nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen. Die Versteileinrichtung umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem Läufer. Der Elektromotor ist vorzugsweise ein Schrittmotor. Der Läufer des Elektromotors ist eingerichtet, fest mit der Rotornabe einer Windenergieanlage und der Stator fest mit dem Rotorblatt einer Windenergieanlage verbunden zu werden. Alternativ hierzu ist der Läufer eingerichtet, fest mit dem Rotorblatt einer Windenergieanlage und der Stator fest mit der Rotornabe einer Windenergieanlage verbunden zu werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Versteileinrichtung umfasst die Versteileinrichtung ein Wälzlager, wobei der Elektromotor in das Wälzlager integriert oder mit diesem verbunden ist. Vorzugsweise umfasst das Wälzlager einen ersten und einen zweiten Ring, zwischen denen Rollkörper angeordnet sind, wobei der Läufer mit dem ersten Ring verbunden oder in diesen integriert ist und der Stator mit dem zweiten Ring verbunden oder in diesen integriert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage mit einer Versteileinrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage,

Fig. 2 ein Rotorblatt mit einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und

Fig. 3 einen Querschnitt der Blattspitze eines Rotorblatts mit Drucksensoren.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einer Rotornabe 1 10, die auch Spinner genannt wird, vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Der Pitchwinkel der jeweiligen Rotorblätter 108, also die Ausrichtungen der Rotorblätter 108 um die Längsachse des jeweiligen Rotorblatts 108, kann durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.

Fig. 2 zeigt ein Rotorblatt 108 einer Windenergieanlage 100, wobei dieses in der vorlie- genden Darstellung von der Rotornabe 1 10 getrennt ist. Somit lässt sich im Bereich der Blattwurzel 20 in das Innere des Rotorblatts 108 hineinsehen. Im Bereich der Blattwurzel 20 ist ein Wälzlager 22 schematisch durch einen ersten Ring 24 und einen zweiten Ring 26 dargestellt. Mit dem zweiten Ring 26 ist ein (nur schematisch dargestellter) Stator 28 eines Schrittmotors 30 verbunden. Außerdem ist ein Läufer 32 des Schrittmotors 30 (nur schematisch) dargestellt, der mit dem ersten Ring 24 des Wälzlagers 22 verbunden ist. Zwischen dem Läufer 32 und dem Stator 28 ist ein Luftspalt 34 angeordnet. Der Läufer 32 ist mit Permanentmagneten gebildet und im Stator 28 lässt sich ein elektrisches Feld durch Statorwicklungen erzeugen. Hinter dem hier schematisch dargestellten Läufer 32 und Stator 28 sind nicht sichtbare Rollkörper des Wälzlagers 22 angeordnet. Der erste Ring 24 ist durch Verschraubungen 33 am Rotorblatt 108 fest verbunden. Somit ist der Läufer 32 über den ersten Ring 24 mit dem Rotorblatt 108 verbunden. Der zweite Ring 26 lässt sich über weitere Verschraubungen 35 mit der Rotornabe 1 10 verbinden, sodass nach Verbindung auch der Stator 28 fest mit der Rotornabe 1 10 verbunden ist.

Wird nun der Elektromotor 30, insbesondere durch Ansteuern der Statorwicklungen, angesteuert, sodass ein elektrisches Feld erzeugt wird, so werden die hier nicht dargestellten Permanentmagneten des Läufers 32 in ihrer Position durch das Feld verschoben, sodass sich das Rotorblatt 108 gegenüber der Rotornabe 1 10 dreht.

Das Rotorblatt 108 weist eine Blattspitze 36 auf, die in Fig. 3 im Querschnitt dargestellt ist. Die Blattspitze 36 weist eine Saugseite 38 und eine Druckseite 40 auf. Im Bereich der Saugseite 38 und im Bereich der Druckseite 40 ist jeweils ein Sensor 42 angeordnet, der jeweils als Drucksensor ausgebildet ist. Mit diesen Drucksensoren 42 lässt sich der Differenzdruck der gegenüberliegenden Seiten 38, 40 einer Blattsehne 44 bestimmen. Wird nun eine Windrichtung, wie durch die Linie 46 dargestellt, vorausgesetzt, lässt sich diese durch die Differenzmessung mit den Sensoren 42 feststellen und ein optimaler Anstellwinkel 48 für diese bestimmen. Mittels einer Ansteuerung, die hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt ist, lässt sich somit der Elektromotor 30 so ansteuern, dass ein optimaler Blattwinkel, also Pitchwinkel, einstellbar ist.