Windenergieanlage mit selbigen

Die Erfindung betrifft ein Segmentblech für ein Statorblechpaket eines Generators einer Windenergieanlage, mit einem Grundblech, welches die Form eines Ringsegments aufweist, wobei das Segmentblech einen ersten radialen Abschnitt aufweist, in welchem Aussparungen zur Aufnahme einer Statorwicklung vorgesehen sind, sowie radial benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt einen zweiten radialen Abschnitt aufweist, der ein Segment eines magnetischen Jochs des Generators bildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Statorblechpaket einen Generator einer Windenergieanlage, sowie einen Generator einer Windenergieanlage und eine Windenergieanlage.

Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie werden genutzt, um Windenergie mittels eines elektrischen Generators in elektrische Energie zu wandeln. Kernelement für diese Aufgabe ist in Windenergieanlagen der Generator. Der Generator weist einen Generatorstator und einen relativ dazu umlaufenden Generatorrotor auf, auch als„Läufer" bezeichnet. Die Erfindung betrifft sowohl Windenergieanlagen und Generatoren mit Innenläufern, als auch Außenläufern, worunter verstanden wird, dass bei einem Innenläufer der Generatorrotor innen in einem ringförmigen Stator umläuft, während bei einem Außenläufer der Generatorrotor außen um den Stator umläuft. Der Generatorstator weist eine Statorwicklung auf, in der mittels des umlaufenden Generatorrotors eine elektrische Spannung induziert wird. Die Statorwicklung ist in Nuten aufgenommen, die wiederum im Stator, etwa in einem Statorring, vorgesehen sind.

Es ist allgemein bekannt, das Bauteil, welches die Statorwicklung aufnimmt, aus einem oder mehreren Statorblechpaketen auszubilden. Jene Statorblechpakete werden durch Segmentbleche gebildet, die zu Ringen aneinandergelegt und zum Bilden der Blechpakete aufeinander gestapelt werden.

Die mechanische Instabilität der einzelnen Bleche konnte hierbei im Stand der Technik nur teilweise dadurch kompensiert werden, dass die Bleche zu Paketen gestapelt und miteinander verbunden wurden. Am Stator musste bislang zum Stützen der Statorblechpakete stets eine Stützkonstruktion vorgesehen werden, in der Regel als Schweiß- oder Gussbaugruppe, die die Statorblechpakete versteift.

Dieser Umstand bedingt eine gewisse Fertigungstiefe auf Seiten des Windenergieanla- genherstellers, sowie einen vergleichsweise hohen Kosten- und Fertigungsaufwand. Dies wurde als verbesserungswürdig angesehen.

Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2008 063 783 A1 und EP 2 424 077 A2.

Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik vorgefundenen Nachteile möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, den Herstellungs- und Kostenaufwand für Windenergieanlagen zu senken, ohne die mechanische Integrität des Generatorstators der Windenergieanlage zu kompromittieren.

Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe, indem sie ein Segmentblech mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorschlägt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass das Segmentblech benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt einen dritten radialen Abschnitt aufweist, der ein Segment einer Stator-Tragstruktur des Generators bildet. Insbesondere ist der dritte radiale Abschnitt also dazu eingerichtet, im Verbund mit den dritten radialen Abschnitten weiterer Segmentbleche die Stator-Tragstruktur des Generators zu bilden. Die Erfindung folgt hierbei dem Ansatz, eine zusätzliche, externe Konstruktion dadurch entbehrlich zu machen, dass die Statorblechpakete, die aus den Segmentblechen gebildet werden, selbsttragend sind, also keine externen Anbauteile zum Sicherstellen der mechanischen Integrität erfordern. Zu diesem Zweck wird das Segmentblech benachbart zu dem Bereich, der das magnetische Joch ausbilden soll, radial erweitert und weist eine Tragstruktur auf, die die Stabilität eines aus ihren Segmentblechen gebildeten Blechrings erhöht.

Das Segmentblech der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich der Stator-Tragstruktur vorteilhaft weitergebildet, indem in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Versteifungsstreben ausgebildet sind, wobei die Versteifungsstreben zur Aufnahme von Druck-, Zug- und Schubkräften ausgebildet sind. Weiter vorzugsweise sind in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Durchgangsöffnungen ausgebildet, die zur Durchführung von korrespondierenden Verspannelementen angepasst sind. Die Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise entlang von zwei oder mehr voneinander beabstandeten Kreisbogenlinien angeordnet, wobei die Kreisbogenlinien vorzugsweise konzentrisch ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind in einer Ausführungsform mit einer ersten Kreisbogenlinie und einer zweiten Kreisbogenlinie, die Durchgangsöffnungen auf einer ersten Kreisbogenlinie in Umfangsrichtung zu den Durchgangsöffnungen auf einer zweiten Kreisbogenlinie versetzt angeordnet. Weiter vorzugsweise sind die Durchgangsöffnungen auf ihren jeweiligen Kreisbogenlinien zueinander äquidistant angeordnet. Diese Anordnung hat folgenden Vorteil: Die Segmentbleche können überlappend aufeinandergestapelt werden, so dass die „Nahtstellen" zwischen den aneinander in einer Ringebenen angrenzenden Segmentblechen zueinander versetzt werden. Zugleich ermöglicht die äquidistante, insbesondere zwei- oder mehrreihige Anordnung der Durchgangsöffnungen eine axiale Verspannung der überlappenden Segmentbleche. Die hierdurch erzeugte Reibhaftung zwischen den Blechen erhöht die Tragfähigkeit der Statorblechpakete signifikant und trägt zu einem besseren Dämpfungsverhalten akustischer Schwingungen bei, die im Betrieb der Windenergieanlage emittiert werden.

Die Verspannelemente sind dazu eingerichtete, aufeinandergestapelte Segmentbleche fest miteinander zu verbinden. Vorzugsweise sind die Verspannelemente in Form von Gewindestangen, Schrauben, Spannseilen oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise werden bei der Verspannung endseitig an den Verspannelementen Druckverteilerelemente angeordnet, die dazu eingerichtet sind, die Spannkräfte auf eine möglichst große Oberfläche der Segmentbleche zu verteilen. Die Druckverteilerelemente sind beispielsweise als Scheiben, Ringe, Ringsegmente, Hülsen oder dergleichen ausgebildet. Weiter vorzugsweise sind in dem dritten radialen Abschnitt mehrere Materialschwächungen oder -aussparungen zwischen den Versteifungsstreben angeordnet. Die Materialschwächungen bzw. -ausnehmungen haben vorzugsweise den Effekt der Gewichtsreduktion. Besonders bevorzugt sind die Versteifungsstreben in dem dritten radialen Abschnitt aus der gleichen Materialstärke ausgebildet, wie das Grundblech in dem ersten und/oder zweiten radialen Abschnitt. Die Struktur der Versteifungsstreben wird vorzugsweise mittels, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Prägen oder - besonders bevorzugt - Stanzen erhalten. Besonders bevorzugt sind die Aussparungen im ersten radialen Abschnitt, die Durchgangsöffnungen und die Versteifungsstreben im dritten radialen Abschnitt jeweils mittels Stanzen des Grundblechs ausgebildet, wobei im Fall der Versteifungsstreben Materialbereiche benachbart zu den auszubildenden Streben ausgestanzt oder geprägt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Segmentbleches weisen die Versteifungsstreben mehrere erste Streben auf, die nichtradial ausgerichtet sind. Unter nichtradial wird hierbei verstanden, dass das Segmentblech um eine Mittenachse herum gekrümmt ist, und die ersten Streben jeweils mit einer durch die Mittenachse laufenden Radialen einen Winkel von > 0 Grad aufspannen. Vorzugsweise sind die ersten Streben jeweils mit alternierenden Winkeln nicht radial ausgerichtet und bilden eine fachwerkartige Struktur aus.

Weiter vorzugsweise weisen die Versteifungsstreben mehrere zweite Streben auf, die radial ausgerichtet sind. Die radiale Ausrichtung wird hierbei bezogen auf die Mittenachse des Segmentblechs verstanden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind jeweils benachbarte erste Streben zueinander winklig ausgerichtet, und die Durchgangsöffnungen liegen jeweils im Schnittpunkt der Erstreckungsrichtung von jeweils zwei benachbarten ersten Streben. Mit anderen Worten liegen die Durchgangsöffnungen im Winkelursprung des Winkels zwischen benachbarten ersten Streben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Streben in Richtung der Mittenachse bzw. in Richtung der radial inneren Seite des Segmentblechs verjüngt ausgebildet.

Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Streben derart ausgebildet, dass zumindest einige der ersten und zweiten Streben ineinander münden oder einander durchkreuzen. Auf diese Weise wird eine geflechtartige Tragstruktur realisiert, die geringes Gewicht mit hoher mechanischer Belastbarkeit verbindet.

Insbesondere in denjenigen Ausführungsformen, in denen zwischen den Streben Ausnehmungen ausgebildet sind, wirken die Streben zugleich als Kühlrippen, und die Ausnehmungen als Kühlkanäle. Hierdurch wird eine verbesserte Wärmeabfuhr aus den die Statorwicklung aufnehmenden Nuten in Richtung des Maschinenträgers erzielt,

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf das Segmentblech erläutert. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung aber ebenso ein Statorblechpaket für einen Generator einer Windenergieanlage. Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Statorblechpaket, indem jenes mit den Merkmalen von Anspruch 10 ausgebildet ist. Die Erfindung schlägt vor, dass das Statorblechpaket eine Vielzahl von Segmentblechen aufweist, wobei mehrere Segmentbleche in einer Ebene so aneinander angeordnet sind, dass sie gemeinsam einen Blechring ausbilden, und mehrere Segmentbleche in den gebildeten Blechringen derart gestapelt sind, dass sie gemeinsam das Statorblechpaket ausbilden, wobei das Statorblechpaket einen ersten radialen Abschnitt aufweist, in welchem eine Vielzahl Nuten zur Aufnahme einer Statorwicklung vorgesehen sind, wobei die Nuten durch in den Segmentblechen vorgesehene Aussparungen gebildet sind, sowie benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt einen zweiten radialen Abschnitt aufweisen, der ein magnetisches Joch des Generators bildet. Benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt weist das Statorblechpaket einen dritten radialen Abschnitt auf, der eine Statortragstruktur des Generators bildet.

Die Erfindung wird dadurch weiter gebildet, dass die Segmentbleche nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet sind.

Nachdem vorstehend die Erfindung unter weiterer Bezugnahme auf das Statorblechpaket beschrieben wurde, wird nachfolgend auf einen erfindungsgemäßen Generator eingegangen. Der Generator gemäß der vorliegenden Erfindung löst die eingangs bezeichnete zugrundeliegende Aufgabe, indem er nach den Merkmalen von Anspruch 12 ausgebildet ist.

Die Erfindung schlägt somit einen Generator einer Windenergieanlage vor, insbesondere einen langsam drehenden Synchron-Regenerator, der einen Generatorstator, einen relativ zu dem Generatorstator drehbar gelagerten Generatorrotor, und einen Maschinenträger zum Befestigen des Generatorstators an der Windenergieanlage aufweist, wobei der Generatorstator wenigstens ein Statorblechpaket aufweist, in welchem eine Vielzahl von Nuten vorgesehen sind, in denen die Statorwicklung aufgenommen ist. Der Generatorstator weist wenigstens ein Statorblechpaket auf, das nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist und entsprechend erfindungsgemäße Segmentbleche enthält. Unter einem langsam drehenden Generator wird im Sinne der Erfindung ein Generator mit einer Nenndrehzahl von 50 Umdrehungen pro Minute oder weniger verstanden. Schließlich betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt eine Windenergieanlage, insbesondere eine getriebelose Windenergieanlage, mit einem Turm, einer auf dem Turm drehbar angeordneten Gondel, einem an der Gondel angeordneten Maschinenträger, einer drehbar an der Gondel gelagerten Nabe mit einer Anzahl von Rotorblättern, insbesondere drei Rotorblättern, und einem Generator zur Bereitstellung elektrischer Energie, der einen mit der Nabe verbundenen Generatorrotor und einen mit dem Maschinenträger verbundenen Generatorstator aufweist.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem der Generator nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Der Generator ist vorzugsweise alternativ als Innenläufer oder Außenläufergenerator ausgebildet. Ist der Generator ein Innenläufergenerator, stellt der erste radiale Abschnitt des Statorblechpaktes bzw. des Segmentblechs den radial inneren Ringbereich dar, während der dritte radiale Abschnitt den radial äußeren Ringbereich darstellt. Bei einem Außenläufergenerator verhält es sich genau andersherum. Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Hierbei zeigen: Figur 1 eine Windenergieanlage schematisch in einer perspektivischen Ansicht,

Figur 2 eine Gondel der Windenergieanlage gemäß Figur 1 schematisch in einer teilgeschnittenen Ansicht,

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Ansicht aus Figur 2, und

Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein Segmentblech für ein Statorblechpaket eines Generators einer Windenergieanlage gemäß den Figuren 1 bis 3.

Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator 1 (Figur 2) in der Gondel 104 an.

Die Gondel 104 ist in Figur 2 in einer Schnittansicht gezeigt. Die Gondel 104 ist drehbar an dem Turm 102 montiert und mittels eines Azimutantriebs 1 12 in allgemein bekannter Weise angetrieben verbunden. In der Gondel 104 ist ein Maschinenträger 1 10 ebenfalls in allgemein bekannter Weise angeordnet, der einen Achszapfen 1 14 trägt.

Der Generator 1 weist einen Generatorstator 5 auf, der mittels des Achszapfens 1 14 an dem Maschinenträger 1 10 in der Gondel 104 befestigt ist. Andere, durch die Erfindung nicht ausgeschlossene Ausgestaltungsmöglichkeiten sehen beispielsweise vor, den Generatorstator 5 unmittelbar an den Maschinenträger 1 10 oder ein entsprechendes Bauteil der Gondel 104 anzubinden.

Der Generator 1 gemäß Figur 2 weist einen Generatorrotor 3 auf, der als Außenläufer konzipiert ist. Alternative, vom Rahmen Erfindung nicht ausgeschlossene Ausgestaltungsmöglichkeiten sehen beispielsweise auch einen als Innenläufer ausgestalteten Generatorrotor vor.

Der Generatorrotor 3 ist drehfest mit der Nabe 106 verbunden. Der nähere Aufbau des Generatorstators 5 ist in Figur 3 gezeigt. Der Generator 5 weist einen Statorring 9 auf. Außerhalb des Statorrings 9, von diesem beabstandet durch einen Ringspalt, läuft der Generatorrotor 3. Der Statorring 9 ist mittels zweier Stützringe 7 an einer Statoraufnahme befestigt. Die Statoraufnahme ist wiederum mit dem Achszapfen 1 14 verschraubt. Andere Befestigungsmöglichkeiten für den Stator 5 an dem Maschinenträger liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Die Stützringe 7 sind vergleichsweise dünnwandige Bleche,, die die Tragfähigkeit und mechanische Steifigkeit des Statorrings 9 im Wesentlichen unbeeinflusst lassen. Stattdessen ist der Statorring 9 selbsttragend ausgelegt.

Der Statorring 9 ist aus einer Vielzahl von Segmentblechen 1 1 gebildet, die zu Blechringen 12 aneinandergereiht sind und derart aufeinander gestapelt werden, dass wenigstens ein Statorblechpaket 10 entsteht.

Der Aufbau eines Segmentblechs gemäß der Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Das in Figur 4 gezeigte Segmentblech 1 1 weist ein Grundblech 13 auf. Das Segmentblech 1 1 ist ringsegmentförmig aufgebaut, d.h. es weist einen um eine Mittenachse (nicht dargestellt) gekrümmten kreisbogenförmigen Verlauf auf. Das Segmentblech 1 1 , in Figur 4 als Segmentblech für einen Außenläufer gezeigt, weist einen ersten radialen Abschnitt 15 auf, in dem eine Vielzahl von Aussparungen 21 eingebracht sind. Die Aussparungen 21 sind zur Aufnahme der Statorwicklung angepasst.

Benachbart zu dem ersten radialen Abschnitt 15 weist das Segmentblech 1 1 einen zweiten radialen Abschnitt 17 auf, der ein Segment des magnetischen Jochs des Generatorstators 5 (Figuren 1 bis 3) ausbildet.

Das magnetische Joch wird auch als magnetischer Rücken bezeichnet. Benachbart zu dem zweiten radialen Abschnitt 17 ist die Struktur des Segmentblechs 1 1 um einen dritten radialen Abschnitt 19 erweitert. Der dritte radiale Abschnitt 19 weist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 23 zum Durchführen von Verspannmitteln auf, wie beispielsweise Gewindestangen, Schrauben, Spannseilen und dergleichen.

In dem dritten radialen Abschnitt 19 sind eine Vielzahl von Versteifungsstreben 24, 25 angeordnet, die das Segmentblech 1 1 versteifen und dazu eingerichtet sind, in montiertem Zustand das Statorblechpaket 10 sowie den Statorring 9 versteifen, um ihn in sich tragfähig zu machen. Die Versteifungsstreben 24, 25 weisen eine Vielzahl erster Streben 24 auf, welche nichtradial ausgerichtet sind. Die ersten Streben 24 spannen jeweils mit einer Radialen R-ι , R ₂ einen Winkel α, ß auf. Winkel α kann betragsmäßig gleich Winkel ß sein. Die zweiten Streben 25 sind im Unterschied zu den ersten Streben 24 radial ausgerichtet. Vorzugsweise verlaufen die zweiten Streben 25 in Richtung der (nicht dargestellten) Mittenachse verjüngt zu. Unter den ersten Streben 25 sind zumindest einige Streben 25b vorhanden, die in zumindest eine erste Strebe 24 einmünden, sowie einige Streben 25c, die jeweils mindestens eine erste Strebe 24 durchkreuzen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Streben 24,25 durch Ausstanzen mehrerer Aussparungen 27 aus dem Grundblech 13 ausgebildet. Vorzugsweise sind sowohl die Aussparungen 21 , wie auch die Durchgangsöffnungen 23 und die Aussparungen 27 mittels Stanzen aus dem Grundblech 13 ausgenommen. Die Durchgangsöffnungen 23 liegen vorzugsweise im Winkelursprung der Winkel α, ß der ersten Streben 24, bzw. sind fluchtend auf die Schnittpunkte der Erstreckungsrichtungen zweier jeweils benachbarter erster Streben 24 ausgerichtet.

Während die in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Ausgestaltung explizit auf einen Generator 1 mit Außenläufer abstellt, so soll verstanden werden, dass im Geiste der Erfindung jedenfalls auch Generatoren mit Innenläufer umfasst sind, bei denen die gleichen Grundsätze greifen wie vorstehend unter Bezugnahme auf den Außenläufer beschrieben. Der erste radiale Abschnitt 15, der die Aussparungen 21 zur Aufnahme der Statorwicklung aufweist, ist dann allerdings nicht radial außen, sondern radial innen am Segmentblech 1 1 angeordnet. Für den zweiten und dritten radialen Abschnitt gilt entsprechendes.