DK173641B1 - Generator, fortrinsvis til en vindmølle - Google Patents

Description

DK 173641 B1

Den foreliggende opfindelsen angår en generator, fortrinsvis til en vindmølle og især af den art, der drives direkte af vindmøllens rotor uden gear, hvorhos i det mindste generatorens stator er udført i moduler, der kan afmonteres en eller flere ad gangen uden at hele viklingen derved skal afmonteres.

5

Det er kendt, at det normalt er nødvendigt at indskyde et fartforøgende gear mellem en vindmølles rotor og dens generator. Rotorens omløbshastighed er for store vindmøller af størrelsesordenen 20 o/min, mens en normal 4-polet generator har et synkront omløbstal på 1500 o/min. Et passende fartforøgende gear vil således have et 10 udvekslingsforhold på 1: 75.

Det er kendt, at det fartforøgende hovedgear på en vindmølle udgør en væsentlig del af kostprisen, og at det i øvrigt er en forholdsvis sårbar hovedkomponent. Ved eventuelle skader vil det i mange tilfælde være nødvendigt at afmontere gearet for reparation. I 15 betragtning af, at gearet til en vindmølle i 2 MW klassen har en vægt på op mod 15 tons, og at det er monteret i en maskine, der er anbragt på et tårn med en højde på 60-100 m, er det indlysende, at sådan udskiftning kan være en meget bekostelig affære.

Risikoen for, at der løber betydelige udgifter på ved eventuel udskiftning, bliver 20 mangedoblet, hvis store vindmøller opstilles til havs. Håndtering af vægte på 15 tons eller mere i 60-100 m højde kan kun udføres med meget store flydekraner eller meget store mobilkraner anbragt på store pramme. Arbejde med den slags udstyr på åbent hav kan kun udføres under gode vejrforhold. Der kan derfor være perioder af måneders varighed om vinteren, hvor det ikke kan lade sig gøre at udskifte et 25 beskadiget gear.

Generatoren selv er også en tung hovedkomponent, typisk med en vægt på 5 tons ved 2 MW mærkeeffekt. Ligesom ved gearet kan det ikke undgås, at der vil være en vis risiko for havari på generatoren. Forholdene ved udskiftning af denne er lige så 30 ugunstige som for gearet.

2 DK 173641 B1

Det er også kendt, at der findes gearløse transmissionssystemer til vindmøller, hvor gear og generator erstattes af en langsomtløbende, mangepolet generator. En sådan direkte drevet generator kan udføres som en synkrongenerator med viklet rotor eller med permanente magneter, eller den kan udføres som alternative typer. Fælles for 5 direkte drevne, mangepolede generatorer er, at deres dimensioner er store. Luftspaltediameteren ved 2 MW mærkeeffekt kan f.eks. være af størrelsesordenen 5 m ved en udførelse med viklet rotor, og lidt mindre ved en udførelse med permanent magnetiseret rotor.

10 Med en direkte drevet, mangepolet generator bliver gearet overflødigt. Det vil som regel være nødvendigt at indskyde en frekvensomformer mellem generatoren og nettet, da det er vanskeligt at opnå et polantal svarende til 50 Hz netfrekvensen ved nominelt omløbstal. Derfor genererer mangepolede generatorer normalt vekselstrøm med en noget lavere frekvens, f.eks. 20 Hz, hvorved antallet af poler kan reduceres til 15 2/5, og der bliver bedre plads til spoleviklingeme. Selv om frekvensomformeren udgør en forøget kompleksitet i forhold til et generatorsystem, hvor generatoren er koblet direkte til nettet, kan man anlægge den vurdering, at reduktionen i kompleksitet ved bortfaldet af hovedgearet mere end opvejer dette.

20 En væsentlig ulempe ved en direkte drevet, mangepolet generator er de fysiske dimensioner. Med en luftspaltediameter på 5 m bliver yderdiameteren af størrelsesordenen 6 m, og egenvægten bliver omtrent som egenvægten af de komponenter, der erstattes, gear og normal generator, altså 20 tons eller mere. Den store yderdiameter vanskeliggør transport, og egenvægten gør ikke problemet med 25 udskiftning for reparation ved eventuelle havarier mindre.

En yderligere vanskelighed opstår i de normale konfigurationer med mangepolede generatorer, hvor generatoren er anbragt mellem rotoren og tårnet for at give en kompakt maskinkonstruktion. Her vil det oven i købet være nødvendigt at afmontere 30 hele rotoren ved eventuel demontage af generatoren.

DK 173641 B1 3

Fra WO-A1-98/20.595 kendes en modulopbygget stator, hvor statorviklingen på de enkelte moduler kan udføres på forhånd, for siden på opstillingsstedet at blive samlet til en hel vikling. Denne konstruktion letter transport af statoren til opstillingsstedet. Imidlertid vil et egentligt statorhus være påkrævet hvorved statorhuset skal have en 5 diamete, der væsentligt overstiger luftspaltediameteren.

Fra US-A-4.594.522 kendes en anden generator med en stator, der er opbygget af moduler, som kan afmonteres uden hele viklingen derved skal afmonteres. Denne konstruktion kræver imidlertid også et egentligt statorhus være påkrævet hvorved 10 statorhuset skal have en diamete, der væsentligt overstiger luftspaltediameteren.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en generator af den ovenfor beskrevne type hvor fordelene ved en direkte drevet mangepolet generator bevares og hvor ulemperne, der er forbundet med kendte generatorer er afhjulpet idet 15 der er mulighed for at undvære et egentligt statorhus således at konstruktionens diameter begrænses og kan udføres med en størrelse, der stort set svarer til 1 uftspaltediameteren.

Dette formål opnås ifølge den foreliggende opfindelse med en generator, som er 20 særpræget ved, at de enkelte moduler er kapslet individuelt i det væsentlige svarende til den kapslingsgrad, der ønskes i den færdige generator, og at et givet antal sidestillede indkapslinger, der er i anlæg med hinanden, danner en lukket ring.

Ved at udforme generatoren ifølge opfindelsen opnås en række fordele i forhold til den 25 kendte teknik.

De fordele, en direkte drevet, mangepolet generator har i forhold til mere konventionelle transmissionssystemer med gear og standardgenerator, bevares i en generator ifølge opfindelsen.

Ved at udføre generatorens statorens elektrisk aktive del i moduler, der hver har den fornødne tæthedsgrad (typisk ønskes tæthed svarende til IP54), kan et egentligt 30 4 DK 173641 B1 statorhus undværes og den strukturelle del af statorhuset til fastholdelse af de enkelte moduler kan udføres med en yderdiameter, der er af samme størrelse som luftspaltediameteren. Herved reduceres yderdiameteren af den del af statoren, der normalt skal være monteret ved transport af vindmøllen til opstillingsstedet, til det 5 minimum, der fastlægges af luftspalten. Hvad transporten angår, er der en væsentlig fordel i at have den mindst mulige yderdiameter. Statorens viklingsmoduler skal da eftermonteres på opstillingsstedet.

Ved at udføre viklingen i moduler, reduceres pladsbehovet og kompleksiteten i 10 viklingen meget betydeligt. Statormoduleme kan udføres i serieproduktion, og de enkelte moduler kan gøres færdig med tætning, klemkasse m.v. under bekvemme forhold. Risikoen for viklingsskader, der forårsages af håndtering under vanskelige adgangsforhold i en stor konstruktion, bliver derfor meget mindre.

15 Ved at udføre statormoduleme med den fornødne tætning, så de kan på* og afmonteres i felten, opnås en meget væsentlig fordel ved eventuelle skader. Skader på en generatorvikling opstår normalt ved et initialt overslag på ét lokaliseret sted, f.eks. på grund af tilfældige isolationsskader, fugt eller lignende. På grand af de store energimængder, der frigives ved en afbrænding, far skaden imidlertid typisk mere 20 generelle virkninger på hele viklingen i en standardgenerator. Store dele af viklingen kan skades ved afsmeltning, andre termiske effekter og tilsodning. Det er derfor normal praksis, at hele viklingen udskiftes, når der optræder en skade. I den modulopbyggede generator vil skaden derimod normalt kunde begrænses til netop det modul, hvor det initiale overslag forekom. Reparationen kan derfor begrænses til det 25 pågældende modul.

Den segmenterede opbygning af generatoren giver mulighed for udnyttelse af særlig gunstige materialeegenskaber, der normalt ikke er til rådighed ved roterende elektriske maskiner. Sagen er, at der kan fremstilles jern med retningsbestemte magnetiske 30 egenskaber. Denne type feltorienteret jern anvendes i transformatorer, og betegnes derfor normalt som transformatorblik. På en normal roterende maskine, hvor blik til stator og rotor udstanses i ét stykke, kan transformatorblik ikke anvendes, idet 5 DK 173641 B1 magnetfelt!injeme vil fa alle retninger omkring rotoraksen. Fordelen ved de gode magnetiske egenskaber i den mest gunstige feltretning bliver derfor mere end bortkompenseret af tilsvarende dårlige magnetiske egenskaber vinkelret på den mest gunstige feltretning. Derfor bruges såkaldt motorblik, der ikke har retningsbestemte 5 magnetiske egenskaber, på roterende maskiner. Jemtabene er derfor noget større på roterende maskiner end på transformatorer med tilsvarende fluxvariationer.

På den segmenterede generator forholder det sig imidlertid anderledes end på normale roterende maskiner. Ved at udføre generatoren med seks eller flere statormoduler, kan 10 det opnås, at magnetfeltlinjeme indenfor hvert segment ikke vil afvige stort mere end 10 grader fra den mest gunstige retning i jernet. Anvendelse af transformatorblik bliver derfor relevant, og derved opnås mulighed for en betydelig reduktion af magnetiseringstabene sammenlignet med tabene ved brug af generatorblik. Desuden opnås bedre magnetisk ledeevne, hvorved der fås højere induktion og feltstyrke i 15 Iuftgabet med større magnetiske kraft og drejningsmoment til følge.

Ved selve håndteringen opnås også væsentlige fordele. Det enkelte modul vil nemlig have en vægt, der er meget mindre end vægten af den komplette generator, og også meget mindre end vægten af et normalt gear eller en normal generator. Ved en direkte 20 drevet, mangepolet generator med en vægt på 20 tons, kan modulerne bekvemt udføres i et antal, så de hver får en vægt på 500 kg. Med en vægt af denne størrelsesorden kan modulerne udskiftes enkeltvis af nogle fS montører med hjælp af en lille kran, der med fordel kan være indbygget i kabinen i en vindmølle.

25 Fordelen i forhold til kendt teknik er navnlig væsentlig, hvor store vindmøller opstilles til havs. De meget store flydekraner eller meget store mobilkraner anbragt på store pramme, der er nødvendige ved reparationsarbejder på kendte transmissionssystemer, hvad enten disse er konventionelle med gear og standardgenerator, eller er med direkte drevne, mangepolede generatorer, kan helt undgås. Eneste forudsætning for reparation 30 er, at det er muligt at fa servicepersonale på møllen. Udskiftede generatormoduler kan nedfires med en lille indbygget kran, og de kan sejles til og fra vindmøllen på en normal servicebåd. Der kan endda opbevares et antal generatormoduler i mølletoppen 6 DK 173641 B1 som reservedele, hvorved nedfiring og søtransport kan udskydes til perioder med gunstige vejrforhold.

Ved at udføre generatoren i en akselmonteret udgave, hvor drejningsmomentet optages 5 i nogle specifikke punkter af momentstøtter, kan der opnås den fordel, at generatorens stator kan drejes til den mest optimale stilling ved reparationsarbejder. Montage og demontage af moduler kan derfor ske i én bestemt position, uanset hvor på generatoren det enkelte modul er anbragt, når generatoren er i sin normale driftsstilling. Eksempelvis kan generatorens stator drejes, så det modul, der skal 10 udskiftes, vender nedad og derfor umiddelbart kan fires ned gennem en lem i bunden af vindmøllens kabine.

I det følgende beskrives opfindelsen nærmere, idet der henvises til tegningen, hvor 15 fig. 1 er en afbildning af en kendt type møllehat på en vindmølle, fig. 2 er en afbildning af en udførelsesform for en møllehat på en vindmølle med en generator ifølge opfindelsen, fig. 3 er en detailafbildning af en generator ifølge opfindelsen set vinkelret på en akse for generatoren, 20 fig. 4 er en yderligere detailafbildning af en generator ifølge opfindelsen, fig. 5 er en detailafbildning af en generator ifølge opfindelsen set parallelt med en akse for generatoren, fig. 6 er en anden detailafbildning afen generator ifølge opfindelsen, og fig. 7 er en afbildning af et udførelsesform for et statormodul ifølge opfindelsen.

25

Generatoren er i den udførelse, der vises i figurerne, med 120 poler i 24 statormoduler. Generatoren er permanent magnetiseret. Andre udførelser, herunder med såvel børsteløs som slæberingsmagnetisering af en viklet rotor, vil også være egnede. Det kan her være relevant at udføre en viklet rotor, så også rotoren har moduler. En sådan 30 særlig udførelse beskrives ikke nøjere her.

7 DK 173641 B1

Figur 1 viser en kendt vindmølle i normal udførelse, med gear og standardgenerator. Rotorens vinger 1 er monteret på møllenavet 2, der er fastgjort til hovedakslen 3. Hovedakslen bæres af et hovedleje 4 forrest og af gearet 5 bagest. Med en elastisk kobling 6 er gearet forbundet til generatoren 7.

5

Figur 2 viser en vindmølle udført jævnfør opfindelsen. Hovedakslen 8 er båret af et forreste hovedleje 9 og et bageste hovedleje 10. Hovedakslen har bagest en klembøsning 11 som flange. Generatoren 12 har en aksel 14 (se figur 3), som er båret af hovedakslens flange 11.

10

Figur 3 viser et længdesnit af generatoren i forstørrelse. Generatorakslen 14 bærer rotorens struktur 15, som på sin periferi har rotorblikket 16 og de permanente magneter 17. Statorhuset 18 er båret af generatorlejeme 19 og har på sin periferi statormoduleme 20.

15

Figur 4 viser et længdesnit af statoren i større forstørrelse. Statorhuset 18 er ved en boltesamling (ikke vist) forbundet til statormodulet 20. Statormodulet har en kapsling 23 omkring statorblikket 24 og statorviklingen 25. I den viste udgave er generatoren udført med et statorhus, der har en ydre diameter d, som er præcis den samme som en 20 yderdiameter som rotoren. Statormodulet er monteret således at statormodulet danner en indre diameter D, der er større end den ydre diameter d af rotoren og af statorhuset.

En luftspalte A kan let justeres f.eks. ved hjælp af justeringsmidler, i den viste udførelsesform ved hjælp af shims 26, i samlingen mellem statorhus og statormodul, og eventuelle dimensionsafvigelser i statormodulet kan derved kompenseres.

25

Figur 5 viser et tværsnit af statoren i udsnit. Den enkelte pol 27 har en vikling 28, og er beskyttet af kapslingen 29. Den enkelte rotorpol 30 har en permanent magnet 17.1 rotorens struktur er udskåret mandehuller 32 til bekvem passage af generatoren.

30 Figur 6 viser den komplette generator set fra hovedakselsiden. Et af statormoduleme 20 er vist afmonteret. De øvrige statormoduler sidder på deres respektive plads på statorhuset 18. Mandehuller 35 sikrer mulighed for gennemgang uanset rotorens 8 DK 173641 B1 stilling. Beslag for drejningsmomentstøtter 36 er anbragt i samme antal som statormodulerne, hvorved generatorens stator kan fastgøres til lodret nedfiring af hvert enkelt modul.

5 Den elektriske forbindelse mellem statormodulerne og er ikke vist på figuren. Den kan f.eks. etableres på den måde, at der monteres én central klemkasse på statorhuset, og at der fra en klemkasse på hvert statormodul trækkes et isoleret trefaset kabel fra statormodulet til den centrale klemkasse. Alternativt kan etableres en forbindelsesform med tre faseringe, der anbringes koncentrisk om hovedakslen på den ene side af 10 statorhuset under passende afdækning. Fra de tre faseringe trækkes isolerede trefasede kabler radialt til de enkelte statormodulers klemkasser, og på faseringene monteres direkte hovedkableme, der overfører effekten til frekvensomformeren eller direkte til nettet.

15 Uanset udførelsen af forbindelserne lokalt på generatoren vil det være bekvemt at udføre hovedkablerne fra generatoren med et vist slæk, som kan optage de forskydninger, der vil forekomme mellem hvert statormodul og en central klemkasse, hvis generatorens stator skal kunne drejes for udskiftning af et eller flere statormoduler. Slikket kan eventuelt reduceres til, at statoren kun kan drejes en halv 20 omgang med eller mod uret afhængigt af på hvilken side af et lodret plan, at statormodulet befinder sig, som skal udskiftes.

Figur 7 viser et statormodul i tværsnit og endebillede. Polen 27 har sin vikling 28 og er beskyttet af en indkapsling 23. Det samlede modul 20 fremtræder helt indkapslet.

25

Claims (9)

1. Generator, fortrinsvis til en vindmølle og især af den art, der drives direkte af vindmøllens rotor uden gear (5), hvorhos i det mindste generatorens (12) stator er 5 udført i moduler (20), der kan afmonteres en eller flere ad gangen uden at hele viklingen (25) derved skal afmonteres, kendetegnet ved, at de enkelte moduler (20) er kapslet (23) individuelt i det væsentlige svarende til den kapslingsgrad, der ønskes i den færdige generator, og at et givet antal sidestillede indkapslinger (23), der er i anlæg med hinanden, danner en lukket ring. 10

2. Generator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de enkelte statormoduler (20) er fastgjort til en statorstruktur, der har en diameter, som i det væsentlige ikke overstiger diameteren af generatorens luftspalte.

3. Generator ifølge krav 1 eller 2, k e n d e t e g n e t v e d, at det enkelte statoimodul (20) kan forskydes radialt på statorstrukturen med henblik på justering af luftspalten.

4. Generator ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet v e d, at det magnetiske kredsløb i det enkelte statormodul helt eller i det væsentlige er 20 tilvejebragt med jern, der har retningsbestemte magnetiske egenskaber.

5. Generator ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at generatoren (12) er akselmonteret (14), og at statoren under montage- og reparationsarbejder kan drejes i forhold til vindmøllens hovedaksel (8), uden at dette 25 kræver væsentlig demontage udover generatorens momentunderstøtning.

6. Generator ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet v e d, at generatoren (12) under montage- og reparationsarbejder kan drejes i forhold til en hovedaksel (8) på en vindmøllen på en sådan måde, at det enkelte statormodul 30 (20) i det væsentlige kan fires lodret ned til jord- eller havoverfladen. DK 173641 B1

7. Generator ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at statoren omfatter mellem 8 og 48 moduler, fortrinsvis 24 moduler.

8. Generator ifølge krav 1,kendetegnet ved, at de sidestillede indkapslinger (23) 5 har en indre flade, der vender indefter mod rotoren (15), og som danner den indre periferi (D) for statoren, at den indre periferi (D) af statoren er cirkulær, at rotoren har en ydre periferi (d), der ligeledes er cirkulær, og at luftspalten (A) mellem den ydre periferi (d) af rotoren og den indre periferi (D) af statoren i det væsentlige har en konstant bredde på mellem 2 mm og 10 mm, fortrinsvis på 5 mm.

9. Generator ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at bredden af luftspalten (A) mellem rotoren og statoren kan reguleres individuelt for hvert statormodul (20) og uafhængigt af hinanden ved hjælp af dertil egnede reguleringsmidler, f.eks. shims (26), ved at en afstand reguleres mellem en ydre 15 periferi (d) af statorstrukturen og en indre periferi (D) af et givet statormodul.