專利名稱：能量獲取設備、特別是風力發(fā)電站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能量獲取設備、尤其是風力發(fā)電站，其包含與轉(zhuǎn)子連接的驅(qū)動軸、 發(fā)電機和帶三個驅(qū)動端和從動端的差動機構(gòu)，第一驅(qū)動端與驅(qū)動軸連接，從動端與發(fā)電機連接，并且第二驅(qū)動端與電差動驅(qū)動裝置連接。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電站逐漸成為越來越重要的發(fā)電設備。因此通過風進行發(fā)電的百分比份額持續(xù)提高。這點一方面由和電流質(zhì)量的新標準有關(guān)，另一方面和風力發(fā)電站越來越大的趨向有關(guān)。同時海上風力發(fā)電站也成為趨勢，這種風力發(fā)電站要求至少5WM安裝容量的設備規(guī)模。由于海上區(qū)域中的風力發(fā)電站的基礎(chǔ)設施和維護或者說安裝成本很高，所以這類設備-在使用與之有關(guān)的中壓同步發(fā)電機的情況下-的效率和可使用性都是特別重要的。W02004/109157A1示出了一種復雜的、流體靜力的“多通道”設計，其具有多個平行的差動級和多個可切換的離合器，由此可在單個通道間切換。借助所示技術(shù)方案可減小流體靜力的功率和由此流體靜力的損耗。但整個裝置的復雜結(jié)構(gòu)是一大缺點。此外，各單個級之間的切換在控制風力發(fā)電站時也是問題。EP U83359A1示出了具有電差動驅(qū)動裝置的單級和多級差動機構(gòu)，其中單級方案具有圍繞輸入軸同軸定位的具有高額定轉(zhuǎn)速的特殊三相交流電機，其基于結(jié)構(gòu)形式具有極大的關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的慣性矩。作為替換方案，多級差動機構(gòu)設有高速標準三相交流電機，該三相交流電機平行于差動機構(gòu)的輸入軸定向。這些技術(shù)方案盡管允許將中壓同步發(fā)電機連接到電網(wǎng)(即在沒有應用變頻器的情況下)，然而已知方案的缺點一方面在于差動驅(qū)動裝置中的高損耗，另一方面在于設計時用來解決該問題的復雜的機械結(jié)構(gòu)或者說特殊機電構(gòu)造以及由此的高昂成本。總之可以確定，沒有充分考慮到對于成本重要的標準例如差動驅(qū)動裝置的最佳控制和尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是盡可能地避免上述缺點并且提供一種能量獲取設備，其除了成本盡可能低外也保證差動驅(qū)動裝置的最小的結(jié)構(gòu)尺寸。本發(fā)明解決該任務的方式是，電差動驅(qū)動裝置的最大的慣性矩JDA, max = (JE/Sges2) * fA，其中fA < 0. 2并且Jk是轉(zhuǎn)子的慣性矩并且s㈣是轉(zhuǎn)速范圍比，其是差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍的比值。由此該設備的極其緊湊且有效的結(jié)構(gòu)方式是可能的，通過這種結(jié)構(gòu)方式也最佳地解決了能量制造設備、尤其是風力發(fā)電站的控制技術(shù)方面的任務。其余從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。


下面參考附圖進一步說明本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。
圖1示出按現(xiàn)有技術(shù)的5麗風力發(fā)電站的功率曲線、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和由此產(chǎn)生的特性值如葉尖速比和功率系數(shù)，圖2示出按現(xiàn)有技術(shù)的具有電差動驅(qū)動裝置的差動機構(gòu)的原理圖，圖3示出按現(xiàn)有技術(shù)的具有泵/馬達組合的流體靜力的差動驅(qū)動裝置的原理圖，圖4示出風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速情況和由此產(chǎn)生的用于差動驅(qū)動裝置的最大輸入轉(zhuǎn)矩Iax，圖5示例示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速和功率與風速的關(guān)系，圖6示出對于兩種不同的運行方式而言在部分負荷范圍和在額定負荷范圍內(nèi)差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線，圖7示出對于應用系數(shù)fA = 0. 2時差動驅(qū)動裝置的最大允許的慣性矩以及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的高動態(tài)的伺服驅(qū)動裝置的慣性矩與額定轉(zhuǎn)矩的典型比值和根據(jù)本發(fā)明的差動驅(qū)動裝置的慣性矩與額定轉(zhuǎn)矩的典型比值的比較，圖8示出差動驅(qū)動裝置的慣性矩和轉(zhuǎn)矩特性曲線的斜率對風力發(fā)電站的調(diào)節(jié)特性的影響，圖9與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的差動級的一個可能的實施方式，圖10示出根據(jù)本發(fā)明的具有塔式行星齒輪的差動級的一個方案。
具體實施例方式風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的功率由下述公式計算出轉(zhuǎn)子功率=轉(zhuǎn)子面積X功率系數(shù)X風速3X空氣密度/2其中，功率系數(shù)與風力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的葉尖速比(=葉尖速度與風速的比值)有關(guān)。風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子設計基于隨發(fā)展待確定的葉尖速比(值大多在7和9之間)，以獲得最佳的功率系數(shù)。出于這個原因， 在風力發(fā)電站運行時應在部分負荷范圍中調(diào)節(jié)到相應小的轉(zhuǎn)速，以便確保最佳空氣動力效率。圖1示出了轉(zhuǎn)子功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、葉尖速比和用于轉(zhuǎn)子的給定最大轉(zhuǎn)速范圍的功率系數(shù)或8. 0-8. 5的最佳葉尖速比的功率系數(shù)的關(guān)系。從圖表中可以看出，當葉尖速比偏離于其最佳值8. 0-8. 5時，功率系數(shù)下降，因此根據(jù)上述公式轉(zhuǎn)子功率相應于轉(zhuǎn)子的空氣動力特性也降低。圖2示出用于風力發(fā)電站的差動系統(tǒng)，其包括差動級3或11至13、適配傳動級4 和差動驅(qū)動裝置6。風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子1驅(qū)動主傳動裝置2，該轉(zhuǎn)子位于用于主傳動裝置2 的驅(qū)動軸上。主傳動裝置2為3級傳動裝置，其具有兩個行星齒輪級和一個圓柱齒輪級。差動級3位于在主傳動裝置2和發(fā)電機8之間，主傳動裝置2通過差動級3的行星齒輪架12 驅(qū)動發(fā)電機。發(fā)電機8優(yōu)選是他勵同步發(fā)電機，在需要時也可具有大于20kv的額定電壓， 發(fā)電機與差動級3的內(nèi)齒輪13連接并且由其驅(qū)動。差動級3的小齒輪11與差動驅(qū)動裝置 6連接。調(diào)節(jié)差動驅(qū)動裝置6的轉(zhuǎn)速，以便一方面在轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速變化時保證發(fā)電機8轉(zhuǎn)速恒定并且另一方面在風力發(fā)電站的整個動力系統(tǒng)中控制轉(zhuǎn)矩。為了提高用于差動驅(qū)動裝置6 的輸入轉(zhuǎn)速，在所示情況下選擇二級差動機構(gòu)，其在差動級3和差動驅(qū)動裝置6之間提供圓柱齒輪形式的適配傳動級4。差動級3和適配傳動級4因此構(gòu)成所述二級差動機構(gòu)。差動驅(qū)動裝置為三相交流電機，其通過變頻器7和變壓器5連接到電網(wǎng)上。作為替換方案，差動驅(qū)動裝置還可以如圖3所示被構(gòu)造成例如流體靜力泵/馬達組合9。在這種情況下第二泵優(yōu)選通過適配傳動級10與發(fā)電機8的驅(qū)動軸連接。差動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速方程如下轉(zhuǎn)速發(fā)電機=X *轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子+y *轉(zhuǎn)速差動驅(qū)動裝置，其中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速是恒定的，系數(shù)X和y 可以從所選擇的主傳動裝置和差動機構(gòu)的傳動比中推導出。轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩通過待刮過的風和轉(zhuǎn)子的空氣動力效率來確定。轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)矩和差動驅(qū)動裝置上的轉(zhuǎn)矩之間的比例是恒定的，所以動力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩可以通過差動驅(qū)動裝置來調(diào)整。差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)矩方程如下轉(zhuǎn)矩差動《裝置=轉(zhuǎn)矩軒* y/χ，其中，比例系數(shù)y/χ是差動驅(qū)動裝置的所需的設計轉(zhuǎn)矩的量度。差動驅(qū)動裝置的功率基本上正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與其基本轉(zhuǎn)速的百分比偏差和轉(zhuǎn)子功率的乘積。因此原則上大轉(zhuǎn)速范圍要求相應大尺寸的差動驅(qū)動裝置。在具有差動級的電的和流體靜力的差動驅(qū)動裝置的情況下基本轉(zhuǎn)速是這樣的轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速時差動驅(qū)動裝置保持靜止，即轉(zhuǎn)速等于零。圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的例如對于不同轉(zhuǎn)速范圍的情況。轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍定義其與轉(zhuǎn)子基本轉(zhuǎn)速的百分比轉(zhuǎn)速偏差，該范圍可借助差動驅(qū)動裝置(電動運行時為負或在發(fā)電運行時為正)的額定轉(zhuǎn)速在無磁場減弱的情況下實現(xiàn)。當差動驅(qū)動裝置為電三相交流電機時，其額定轉(zhuǎn)速(η)定義最大轉(zhuǎn)速，在該最大轉(zhuǎn)速時電三相交流電機可持續(xù)產(chǎn)生額定扭矩(Mn)或額定功率(Pn)。在流體靜力驅(qū)動裝置如液壓的軸向活塞泵的情況下，差動驅(qū)動裝置的額定轉(zhuǎn)速是這樣的轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速時流體靜力驅(qū)動裝置能夠以最大轉(zhuǎn)矩(Tmax)提供最大持續(xù)功率 (P0max)。在此，泵的額定壓力(I3n)和標稱尺寸(NG)或排液體量(V,x)決定最大轉(zhuǎn)矩(Tmax)。在額定功率范圍中，風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子以在Iimax和nmin_maxP極限之間的平均轉(zhuǎn)速 nrated在處于nrated和nmin之間的部分負荷范圍中旋轉(zhuǎn)，這在該實施例中可以借助80%的磁場削弱范圍來實現(xiàn)。為了控制風暴而選擇相應大的nmax和nmin_maxP之間的控制轉(zhuǎn)速范圍，該轉(zhuǎn)速范圍可在無負荷減小的情況下實現(xiàn)。該轉(zhuǎn)速范圍的值與風暴的大小和/或風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子慣性和所謂的變槳系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整系統(tǒng))的動力學特點有關(guān)，并且通常約為。 在所示實施例中，選擇_/+6%的控制轉(zhuǎn)速范圍以便具有足夠的裕量來借助差動驅(qū)動裝置控制極風暴。但是帶極惰性的變槳系統(tǒng)的風力發(fā)電站可以設計用于較大的控制轉(zhuǎn)速范圍。在該控制轉(zhuǎn)速范圍中風力發(fā)電站必須產(chǎn)生額定功率，這意味著，差動驅(qū)動裝置在此被加載以最大轉(zhuǎn)矩。也就是說，轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍必須大致相同，因為只有在該范圍中差動驅(qū)動裝置才能產(chǎn)生其額定轉(zhuǎn)矩。因為現(xiàn)在在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍較小時基本轉(zhuǎn)速超過nmin_maxP，所以差動驅(qū)動裝置在轉(zhuǎn)速為0的情況下必須產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩。(電或液壓的)差動驅(qū)動裝置在轉(zhuǎn)速為0時僅可設計用于明顯小于額定轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩，但這可以通過設計時相應的超尺寸來補償。但因為最大設計轉(zhuǎn)矩是差動驅(qū)動裝置的尺寸因數(shù)，所以小轉(zhuǎn)速范圍對于差動驅(qū)動裝置的尺寸的有利影響只是有限的。這點也可從曲線Mmax看出，該曲線表示差動驅(qū)動裝置待產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)速范圍的關(guān)系。其基礎(chǔ)是使用假設最大靜止傳動比為^ = "6的單級差動機構(gòu)、額定負荷范圍中的恒定的功率調(diào)節(jié)和同步轉(zhuǎn)速為ΙδΟΟπι Γ1的四級同步發(fā)電機
圖5中例如可看出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的差動極的轉(zhuǎn)速或功率情況。發(fā)電機、優(yōu)選他勵中壓同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速通過連接到頻率固定的電網(wǎng)中為恒定的。為了可相應很好地利用差動驅(qū)動裝置，該差動驅(qū)動裝置在小于基本轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)電動地運行并且在大于基本轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)發(fā)電機式運行。從而在電動運行時功率饋入差動級中，而在發(fā)電機式運行時從差動級中取得功率。該功率在電差動驅(qū)動裝置的情況下優(yōu)選從電網(wǎng)獲取或饋入到電網(wǎng)中。在液壓的差動驅(qū)動裝置中該功率優(yōu)選從發(fā)電機軸取得或輸送給發(fā)電機軸。發(fā)電機功率和差動驅(qū)動裝置的功率之和形成為具有電差動驅(qū)動裝置的風力發(fā)電站輸出到電網(wǎng)中的總功率。對于電的和流體靜力的差動驅(qū)動裝置的主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)矩和/或轉(zhuǎn)速的可自由調(diào)節(jié)性。因此例如可以借助于編程的控制裝置實施各種不同的調(diào)節(jié)方法或必要時也在設備的運行期間與變化的周圍條件或運行條件相適配。圖6示出根據(jù)具有額定轉(zhuǎn)速范圍為_/+15%的差動驅(qū)動裝置的風力發(fā)電站的與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的特性曲線。在此示出不同的運行范圍或運行模式。點線表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在發(fā)電站的部分負荷范圍中的情況。虛線表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于在額定負荷區(qū)域中恒定功率調(diào)節(jié)的典型的曲線。第三條線示出根據(jù)本發(fā)明的在所謂的漸進式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)時的轉(zhuǎn)矩。在此為額定負荷范圍設定一個特性曲線，其具有隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，在所示示例中該特性曲線中具有轉(zhuǎn)矩斜率m = 5%。轉(zhuǎn)矩斜率(m)的值由在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速范圍的最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的百分比斜率計算出。出于完整性在此要指出，為轉(zhuǎn)矩斜率(Drehmomentsteigimg)也可設定其它任一特性曲線或使其適配于環(huán)境和/ 或運行條件。在額定轉(zhuǎn)速范圍大于_/+15%的應用中，減小的例如為m= 3%的轉(zhuǎn)矩斜率業(yè)已帶來好的結(jié)果，對于具有非常小的額定轉(zhuǎn)速范圍的應用而言，推薦m= 10%的轉(zhuǎn)矩斜率。因為對于差動驅(qū)動裝置而言在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和在差動驅(qū)動裝置上的轉(zhuǎn)矩之間存在恒定的比例，所以對于差動驅(qū)動裝置而言適用與轉(zhuǎn)子相同的條件。第一眼看去在兩個調(diào)節(jié)模式之間在額定負荷范圍內(nèi)就最大需要的轉(zhuǎn)矩而言不存在顯著的區(qū)別。在圖6中在10. Qmin-1 處插入一個垂直線，其表示轉(zhuǎn)子的基本轉(zhuǎn)速。(液壓的或電的)差動驅(qū)動裝置然而可以如上所述在零轉(zhuǎn)速時僅僅形成靜止力矩，其顯著低于額定力矩。為了在零轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)能夠提供額定力矩，因此差動驅(qū)動裝置必須超尺寸設計(超出大約25%)。該值隨著差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速的間隔的增大而減小。在所示的根據(jù)圖6的情況下這意味著，對于在控制轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而言，所需要的差動驅(qū)動裝置的設計轉(zhuǎn)矩必須比所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩高大約10%。因為然而在所示的例子中在整個控制轉(zhuǎn)速范圍上的轉(zhuǎn)速斜率同樣是10% (_/+5% )，所以對于差動驅(qū)動裝置而言對于控制轉(zhuǎn)速范圍的兩個角點而言得到相同的需要的設計轉(zhuǎn)矩。與之相反，在所示出的的控制轉(zhuǎn)速范圍時且在具有恒定功率的額定負荷調(diào)節(jié)時差動驅(qū)動裝置所需要的設計轉(zhuǎn)矩比在漸進的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)時高大約11%。這對于差動驅(qū)動裝置而言導致較高的費用和較高的慣性矩，這對于可獲得的調(diào)節(jié)動態(tài)性明顯不利。所示出的效果隨著額定轉(zhuǎn)速范圍的變小而加強，對于大約-/+12. 5%的額定轉(zhuǎn)速范圍而言具有最大的效果。對于大約_/+20%的額定轉(zhuǎn)速范圍而言幾乎不再具有相應的優(yōu)點ο漸進的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的另外的優(yōu)點在于由此得到的被動的轉(zhuǎn)矩緩沖的效果。風力發(fā)電站是動態(tài)方面極其復雜的機器。這導致在動力系統(tǒng)中始終不同的頻率被激勵，這些頻率對于整個風力發(fā)電站的電流質(zhì)量和負荷產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)因此通常的是，實施所謂的主動的動力系統(tǒng)緩沖，其例如按照下述方式工作在動力系統(tǒng)中測量轉(zhuǎn)矩和/或轉(zhuǎn)速。緊接著將測量信號過濾，并且給轉(zhuǎn)矩額定值疊加一個相應抑制不期望振動的值。為此所需要的附加轉(zhuǎn)矩通常在直至大約5%的額定轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)。如果現(xiàn)在替代主動的動力系統(tǒng)緩沖，而實施漸進的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，那么表明，其具有與具有恒定功率的額定負載調(diào)節(jié)相比具有減弱的效果。這主要與通過風暴引起的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩波動的調(diào)節(jié)相關(guān)聯(lián)地適用。圖7現(xiàn)在示出在此關(guān)聯(lián)中同樣重要的效果。原則上風力發(fā)電站的調(diào)節(jié)特性非常強烈地與轉(zhuǎn)速范圍比Sges相關(guān)并且因此與轉(zhuǎn)子的慣性矩Jk和差動驅(qū)動裝置的慣性矩Jda的比值相關(guān)。轉(zhuǎn)速范圍比s㈣是風力發(fā)電站的差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍的比值(sges =差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍/轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍)，其中轉(zhuǎn)速范圍通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nmin 和nmax(見圖4)或由此形成的差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速得出。因為一方面轉(zhuǎn)速范圍比Sges是轉(zhuǎn)子和差動驅(qū)動裝置之間的傳動比的量度并且另外一方面差動驅(qū)動裝置的與轉(zhuǎn)子相關(guān)的慣性矩和該傳動比的平方起作用，所以對于差動驅(qū)動裝置而言(為了具有電差動驅(qū)動裝置的風力發(fā)電站的良好的調(diào)節(jié)特性)允許的最大慣性矩JDA,_如此計算JDA,max = (JE/sges2) * fA，其中fA是應用系數(shù)，其是風力發(fā)電站的調(diào)節(jié)特性的量值。 圖7中的圖表配備一個應用系數(shù)fA = 0. 20，因此在調(diào)節(jié)特性方面獲得好的結(jié)果(為此也參見圖8)。原則上可確定，利用變小的&可以獲得更好的結(jié)果，其中對于具有小于約0. 15的 fA的應用而言，在減小差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子的質(zhì)量方面的附加的大耗費是必需的。圖7示出對于各種不同的驅(qū)動方案(差動驅(qū)動裝置的額定轉(zhuǎn)速為lOOOmirT1， 1250min_1和ΙδΟΟπ ιΓ1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍為-/+10%、15%和20 %，或者風力發(fā)電站的額定功率為3麗和5MW)和fA = 0. 20而言，差動驅(qū)動裝置的“最大允許的慣性矩Jda, _”和“比值 JDA,_/MN_”，MN_是差動驅(qū)動裝置的所需要的額定轉(zhuǎn)矩。圖7此外示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的常見的伺服驅(qū)動裝置的慣性矩與額定力矩的比值(JDA,max/MN_的典型比值)。可以清楚看到， 為了風力發(fā)電站的足夠好的調(diào)節(jié)特性，差動驅(qū)動裝置與常見的伺服驅(qū)動裝置相比需要更小白勺 JDA, max/MNenn t匕值。圖8示出在風力發(fā)電站由于例如風暴而發(fā)生功率突變后不同的轉(zhuǎn)矩斜率(m = 0 % 和m = 5%)和差動驅(qū)動裝置的慣性矩對于差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速/調(diào)節(jié)特性的影響。具有 JDA,max= (JE/Sges2) * fA其中fA = 0.20和m = 0%的風力發(fā)電站的功率突變導致，差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速以約Ιδπ ιΓ1 (這大約是在該時刻產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)速的1. 6% )的初始振幅開始振動，并且該振幅僅緩慢地變小。而在fA = 0. 20和m = 5%時、即借助被動的轉(zhuǎn)矩緩沖就已經(jīng)產(chǎn)生明顯的改善。初始形成的振幅約為IOmirT1并且快速降低。此外還可將fA降低為 0. 15，由此產(chǎn)生約δπ ιΓ1的初始振幅(這大約是在該時刻產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)速的0. 6% )，其同樣快速消失。繼續(xù)降低應用系數(shù)到例如fA = 0.10將為高動態(tài)的應用帶來所需的進一步的改善，但如上所述這將導致用于差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子的制造成本的巨大增加。原則上可確定，具有fA = 0. 15和m = 5%的發(fā)電站配置可為標準應用提供足夠好的結(jié)果。要補充指出，與現(xiàn)有技術(shù)中的在額定負荷范圍中以恒定額功率進行的典型調(diào)節(jié)相比，正的功率斜率(Leistimgssteigimg)已經(jīng)可改進差動驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)大小和轉(zhuǎn)矩緩沖，但是不如主動的轉(zhuǎn)矩斜率。在此為額定負荷范圍設定一個特性曲線，其中轉(zhuǎn)子功率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大。功率斜率的特性曲線的值在這種情況下由在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速范圍的最大的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子功率的百分比斜率計算出來。圖9示出差動級的一種可能的實施方案。轉(zhuǎn)子1驅(qū)動主傳動裝置2并且主傳動裝置通過行星齒輪架12驅(qū)動差動級11至13。發(fā)電機8與內(nèi)齒輪13連接并且小齒輪11與差動驅(qū)動裝置6連接。差動機構(gòu)為單級差動機構(gòu)，并且差動驅(qū)動裝置6既同軸于主傳動裝置2的輸出軸又同軸于發(fā)電機8的驅(qū)動軸布置。在發(fā)電機8中設置空心軸，該軸允許差動驅(qū)動裝置定位于發(fā)電機8的遠離差動機構(gòu)的一側(cè)上。因此，差動級優(yōu)選是單獨的連接在發(fā)電機8上的組件，該組件優(yōu)選通過離合器14和制動器15與主傳動裝置2連接。優(yōu)選在一種慣性矩特別低的不可相對旋轉(zhuǎn)的實施方案中，小齒輪11和差動驅(qū)動裝置6之間的連接軸 16可構(gòu)造為例如具有玻璃纖維和/或碳纖維的纖維復合軸。所示同軸的單級實施方式的主要優(yōu)點在于(a)差動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單和緊湊，(b) 由此差動機構(gòu)的效率高和(c)由于差動機構(gòu)相對小的傳動比而使差動驅(qū)動裝置6的關(guān)于轉(zhuǎn)子1的慣性矩相對小。此外，差動機構(gòu)可作為單獨的組件制造并且與主傳動裝置無關(guān)地實施和維護。當然也可用流體靜力驅(qū)動裝置來替代差動驅(qū)動裝置6，但對此必須優(yōu)選通過與發(fā)電機8連接的傳動裝置的從動軸來驅(qū)動與該流體靜力驅(qū)動裝置處于相互影響的第二泵元件。但然而如果在這點上觀察圖4中的轉(zhuǎn)矩線Mmax，則可以發(fā)現(xiàn)下面的限制。在使用單級差動機構(gòu)時，不能自由選擇差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速和由此所需的轉(zhuǎn)矩，而是從行星齒輪級的可合理實現(xiàn)的靜止傳動比、和發(fā)動機的同步轉(zhuǎn)速的得出。另一方面，由于靜止傳動比， 行星齒輪級的最小可實現(xiàn)的直徑和由此其制造成本也增加?？傊纱_定為具有傳統(tǒng)的單級行星傳動裝置和小額定轉(zhuǎn)速范圍的差動系統(tǒng)首先選擇相應高的靜止傳動比，以便為差動驅(qū)動裝置達到盡可能小的額定力矩。但這又以對主傳動裝置來說不利的高傳動比為前提， 由此在具有低的轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速和高速同步發(fā)電機的大型風力發(fā)電站中，只有花費非常高才能實現(xiàn)主傳動裝置2的具有最多三個傳動級的設計。圖10示出一種根據(jù)本發(fā)明的具有塔式行星齒輪的差動級的方案。如圖9所示，在此差動驅(qū)動裝置6經(jīng)連接軸16被小齒輪11驅(qū)動。小齒輪11優(yōu)選經(jīng)連接軸16單支承在發(fā)電機20的所謂的ND端部的區(qū)域中，但連接軸也可例如雙支承在例如發(fā)電機軸中。同步發(fā)電機包括定子18和具有空心軸的轉(zhuǎn)子17，轉(zhuǎn)子由內(nèi)齒輪13驅(qū)動。支承在行星齒輪架12中的(優(yōu)選三個)行星齒輪是所謂的塔式行星齒輪19。所述塔式行星齒輪分別包括兩個不可相對旋轉(zhuǎn)地連接的齒輪，其具有不同直徑和優(yōu)選不同的齒幾何尺寸。內(nèi)齒輪13在所示示例中與塔式行星齒輪19的直徑較小的齒輪嚙合，并且小齒輪11與塔式行星齒輪19的第二齒輪嚙合。由于經(jīng)由內(nèi)齒輪13必須比經(jīng)由小齒輪11傳遞明顯更大的轉(zhuǎn)矩，所以內(nèi)齒輪的齒寬比小齒輪11的齒寬大許多。塔式行星齒輪的齒寬也相應地構(gòu)造。為了降低噪音，差動機構(gòu)的齒部可構(gòu)造為斜齒。由此產(chǎn)生的必須被齒部部分的支承部吸收的軸向力可通過塔式行星齒輪19的兩個齒輪的齒部的反向傾斜與所選擇的特殊的傾斜角相關(guān)地減小。優(yōu)選這樣選擇塔式行星齒輪的齒部部分的個性化的傾斜角，使得產(chǎn)生的軸向力不再作用于塔式行星齒輪的支承部上。通過使用塔式行星齒輪產(chǎn)生附加的用于選擇差動驅(qū)動裝置的額定轉(zhuǎn)速的自由度， 而且不增加決定效率的齒嚙合的數(shù)量。由此可降低行星齒輪級的行星齒輪架轉(zhuǎn)速和內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)速(與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同)之間的基本傳動比，并且差動機構(gòu)的承受主負荷的部分大大減小且制造成本更加低廉，并且沒有使差動驅(qū)動裝置的額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移到不利的范圍中。下面的表格顯示了用于額定功率為5麗的風力發(fā)電站的差動系統(tǒng)的傳統(tǒng)的行星齒輪級和具有塔式行星齒輪的行星齒輪級的技術(shù)參數(shù)的比較。在所示示例中兩種方案具有漸進式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，其中m = 5和-/+15%的額定轉(zhuǎn)速范圍。該示例清楚地示出具有塔式行星齒輪的方案在決定成本的因素如內(nèi)齒輪直徑和差動級的額定轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.能量獲取設備、尤其是風力發(fā)電站，其包含與轉(zhuǎn)子⑴連接的驅(qū)動軸；發(fā)電機⑶； 以及帶三個驅(qū)動端和從動端的差動機構(gòu)(11至13)，第一驅(qū)動端與驅(qū)動軸連接，從動端與發(fā)電機(8)連接，并且第二驅(qū)動端與電差動驅(qū)動裝置(6)連接，其特征在于，電差動驅(qū)動裝置的最大的慣性矩為JDA,max = (JE/sges2) * fA，其中fA彡0. 2并且Jk是轉(zhuǎn)子⑴的慣性矩，并且是轉(zhuǎn)速范圍比，其是差動驅(qū)動裝置(6)的轉(zhuǎn)速范圍與轉(zhuǎn)子⑴的轉(zhuǎn)速范圍的比值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的能量獲取設備，其特征在于，fA^ 0. 15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的能量獲取設備，其特征在于，fA< 0. 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的能量獲取設備，其特征在于，所述電機(6)是三相交流電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的能量獲取設備，其特征在于，所述電機(6)是永磁激勵式同步三相交流電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的能量獲取設備，其特征在于，差動驅(qū)動裝置的額定轉(zhuǎn)速彡 lOOOmirT1，優(yōu)選彡 USOmirT1，特別是彡 1500min_1o
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的能量獲取設備，其特征在于，所述驅(qū)動軸是風力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子軸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的能量獲取設備，其特征在于，在小齒輪(11)和差動驅(qū)動裝置(6)之間的連接軸(16)設計成纖維復合軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的能量獲取設備，其特征在于，差動機構(gòu)(11至1 是行星齒輪傳動裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的能量獲取設備，其特征在于，行星齒輪傳動裝置具有多個行星齒輪(19)，該行星齒輪分別具有兩個齒輪，這兩個齒輪彼此連接成不能相對旋轉(zhuǎn)的并且具有不同的分度圓直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的能量獲取設備，其特征在于，用于額定負荷范圍的轉(zhuǎn)子功率的特性曲線具有相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的斜率，該特性曲線的斜率值由在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速范圍的最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子功率的百分比斜率計算出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的能量獲取設備，其特征在于，用于額定負荷范圍的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的特性曲線具有相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的斜率，該特性曲線的斜率值由在轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速范圍的最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的百分比斜率計算出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的能量獲取設備，其中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的特性曲線的斜率為至少3%、 優(yōu)選至少5%、特別是至少10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能量獲取設備、尤其是風力發(fā)電站，其包含與轉(zhuǎn)子(1)連接的驅(qū)動軸；發(fā)電機(8)；以及帶三個驅(qū)動端和從動端的差動機構(gòu)(11至13)。第一驅(qū)動端與驅(qū)動軸連接，從動端與發(fā)電機(8)連接，并且第二驅(qū)動端與電差動驅(qū)動裝置(6)連接。電差動驅(qū)動裝置的最大的慣性矩為JDA，max＝(JR/sges2)＊fA，其中fA≤0.2并且JR是轉(zhuǎn)子的慣性矩，并且sges是轉(zhuǎn)速范圍比，其是差動驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍的比值。
文檔編號F03D7/04GK102365456SQ201080013492
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者格拉爾德·黑亨貝格爾 申請人:格拉爾德·黑亨貝格爾